Расширение пространства после Большого взрыва

Долгое время Вселенная, остыв после Большого взрыва, оставалась темной и холодной – ничто ее не освещало. Этот период, названный астрономами «темными веками», закончился, когда сформировались первые звезды. Здесь ученые столкнулись с одной из главных проблем современного естествознания – загадкой таинственной «темной материи» и «темной энергии». Очень ранний возраст Вселенной, к которому относят начало формирования первого поколения звезд, привел к идее о том, что таинственный тип невидимой материи гравитационно сконцентрировал вещество Вселенной вскоре после ее рождения, позволив сформироваться первым звездам и галактикам.===

Модели развития нашей Вселенной

Что ожидает наш мир в невообразимо далеком будущем? Ученые – физики, космологи и астрономы исходят в своих прогнозах из кривизны окружающего нас пространства. Так, если кривизна трехмерного пространства отрицательна или (в пределе) равна нулю (мир Ньютона, Лагранжа и Лапласа), то Вселенная бесконечна и мы имеем так называемую «открытую модель». В такой модели расстояния между скоплениями галактик со временем неограниченно возрастают, а в некотором экстремальном варианте ткань пространства начинает «растягиваться» так быстро (экспоненциально), что может произойти некий Большой «разрыв». Что это такое и тем более как выглядит, не знает никто, но вполне возможно, что по своему масштабу этот вселенский катаклизм может сравниться с началом Большого взрыва. В замкнутой модели кривизна пространства положительна, Вселенная конечна (но так же безгранична, как и в открытой модели); в такой модели расширение со временем сменяется сжатием до состояния Большого «хруста», являющегося полной противоположностью Большому взрыву.

 

ПРОВАЛЫ ЗАСТЫВШИХ ЗВЕЗД

 

Здесь необходимо остановиться и немного рассказать об этих удивительнейших небесных телах – черных дырах сколлапсировавших застывших звезд. Бездонный провал черной дыры коллапсара – это область пространства, в которой гравитационное притяжение настолько сильно, что ни вещество, ни излучение не могут эту область покинуть. Для находящихся там тел вторая космическая скорость (скорость убегания) должна была бы превышать скорость света, что невозможно, поскольку ни вещество, ни излучение не могут двигаться быстрее света. Поэтому из черной дыры ничто не может вылететь. Границу области, за которую не выходит свет, называют «горизонтом событий» или просто «горизонтом» черной дыры.

Чтобы поле тяготения могло навсегда «привязать» к себе электромагнитное излучение, масса тела должна сжаться до особого «гравитационного радиуса». Значение гравитационного радиуса чрезвычайно мало по сравнению с привычным размером физических тел. Например, для Солнца гравитационный радиус составляет около трех километров, а для Земли один сантиметр. По этой причине создать коллапсар в лабораторных условиях практически невозможно, ведь чтобы тело любой разумной массы, пусть даже в миллиарды тонн, стало черной дырой, его нужно сжать до размера элементарных частиц, поэтому свойства черных дыр пока изучаются только теоретически. Правда, большие надежды физики возлагают на новые сверхмощные ускорители элементарных частиц – коллайдеры. В них на встречных пучках будут попадаться частицы, движущиеся с огромной скоростью и, соответственно, обладающие гигантской энергией. Теоретики предсказывают, что при определенных условиях в акте столкновения нескольких частиц может произойти микроколлапс с образованием черной микроскопической дыры. Впрочем, большинство ученых сходятся во мнении, что подобные чудеса произойдут не скоро.

Расчеты астрофизиков показывают, что тела астрономического масштаба (например, массивные звезды) после истощения в них термоядерного топлива могут под действием собственного тяготения сжиматься до размера своего гравитационного радиуса. Поиск таких объектов ведется уже много десятков лет, и сейчас можно с большой уверенностью указать сотни вероятных кандидатов в черные дыры с массами от единиц до миллиардов масс Солнца. Однако их изучение затруднено огромными расстояниями от Земли. И хотя сам факт существования черных дыр уже особо не подвергают сомнению, практическое изучение их свойств еще впереди.

История умозрительного открытия гравитационных коллапсаров тесно связана с именем английского геофизика и астронома Джона Мичелла (1724–1793). Мичелл предположил, что в природе могут существовать столь массивные звезды, что даже луч света не способен покинуть их поверхность. Используя законы Ньютона, он рассчитал, что если бы звезда с массой Солнца имела радиус около трех километров, то даже корпускулы света не могли бы покинуть такую звезду. Такая звезда казалась бы издалека абсолютно темной, вот так и родилась концепция «ньютоновской» черной дыры. Несколько позже подобные идеи высказал в своей книге «Система мира» (1796) великий французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас. Простой расчет позволил ему написать: «Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром, в 250 раз большим диаметра Солнца, не дает ни одному световому лучу достичь нас из‑за своего тяготения; поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми». Однако масса такой звезды должна была бы в десятки миллионов раз превосходить солнечную. А поскольку дальнейшие астрономические измерения показали, что массы реальных звезд не очень сильно отличаются от солнечной, идеи Митчела и Лапласа о гравитационных коллапсарах были забыты.

Во второй раз ученые обратились к концепции черных дыр в начале двадцатого века, когда немецкий астроном Карл Шварцшильд получил первое точное решение уравнений только что созданной тогда Альбертом Эйнштейном релятивистской теории гравитации – общей теории относительности. Оказалось, что пустое пространство вокруг массивной точки обладает особыми свойствами на расстоянии гравитационного радиуса; именно поэтому данную величину часто называют шварцшильдовским радиусом, а соответствующую поверхность – горизонтом событий или шварцшильдовской поверхностью. В следующие полвека усилиями теоретиков были выяснены многие удивительные особенности решения Шварцшильда, но как реальный объект исследования коллапсары еще не рассматривались.

В конце тридцатых годов прошлого века знаменитый впоследствии своим участием в Атомном проекте физик Роберт Оппенгеймер выдвинул гипотезу, что ядро массивной звезды будет безостановочно коллапсировать в предельно малый объект, свойства пространства вокруг которого описываются поверхностью Шварцшильда. Иными словами, ядро массивной звезды в конце ее эволюции должно стремительно сжиматься и уходить под горизонт событий, становясь застывшей звездой коллапсара. Но поскольку такой объект не должен излучать электромагнитные волны, то и обнаружить его в космосе будет невероятно трудно (рис. 11, 12 цв. вкл.).

Поскольку никакой носитель информации не способен выйти из‑под горизонта событий, внутренняя часть черной дыры причинно не связана с остальной Вселенной, и происходящие внутри застывшей звезды физические процессы не могут влиять на ее окружение. В то же время, вещество и излучение, падающие снаружи на коллапсар, свободно проникают внутрь через его горизонт.

Можно сказать, что черная дыра все поглощает и ничего не выпускает. По этой причине и родился термин «черная дыра», предложенный в шестидесятых годах прошедшего столетия видным американским физиком и космологом Джоном Арчибальдом Уилером (рис. 13 цв. вкл.).

 

ИСПАРЕНИЕ ЧЕРНЫХ ДЫР

 

В связи с этим можно упомянуть о гипотезе квантового испарения черных дыр, предложенной известным английским физиком‑теоретиком Стивеном Хокингом. Согласно этой гипотезе, черная дыра излучает как абсолютно черное тело. Излучение черной дыры связано с квантовыми флуктуациями виртуальных частиц вакуума. Эти частицы на мгновение расходятся друг от друга и тут же снова сливаются в пары. В поле тяготения черной дыры эти флуктуации могут резонировать, увеличивая амплитуду расхождения частиц. При этом одна из частиц может оказаться внутри сферы Шварцшильда и будет неудержимо падать к ее центру, а другая – вне сферы Шварцшильда и улетит в космос, унося с собой часть энергии черной дыры. В результате черная дыра будет испаряться, уменьшаться в своих размерах.

Открытие квантового испарения черных дыр произвело сенсацию, правда, в основном среди теоретиков. На практике черные дыры продолжали оставаться такими же ненаблюдаемыми, как и раньше. Объясняется это тем, что черные дыры являются неустойчивыми объектами и при своем образовании попросту исчезают из нашей Вселенной. Другое дело, что в области виртуальной геометрии вакуумные частицы могут резонировать так же, как и на обычной сфере Шварцшильда. Но этот резонанс никак не связан с гравитационным коллапсом звезд. С гораздо большим основанием его можно отнести к обычным квантовым скачкам реальных элементарных частиц из одной точки пространства в другую. А вот выбрасывание остатков вещества коллапсирующей звезды в другие вселенные действительно можно рассматривать как квантовое испарение черной дыры. Но такое испарение не имеет никакого отношения к резонансу вакуумных частиц.

В последние десятилетия развитие космологии и физики элементарных частиц позволило теоретически рассмотреть самую начальную, сверхплотную стадию расширения Вселенной, которая называется инфляционной.

Получается, что Вселенная рождалась в два приема, проходя стадию «увеличения объема», заполненного физическим полем, но не содержащего ни вещества, ни излучения, и стадию появления вещества и излучения и последующего образования из него звезд, галактик, планет и всего прочего.

До момента, который наступил примерно через миллион лет после начала расширения, Вселенная была непрозрачной для квантов света. Поэтому с помощью электромагнитного излучения нельзя заглянуть в предшествующую эпоху. На сегодняшний день это можно сделать только с помощью воображения и теоретических моделей. Очень долго (и окончательно споры еще не утихли) ученые обсуждали вопрос – почему окружающая природа состоит из материи, а не антиматерии и существуют ли антимиры во Вселенной?

В начале расширения Вселенной ее температура была столь высока, что энергии хватало для рождения пар всех известных частиц и античастиц.

Затем температура понизилась, так что почти все частицы и античастицы взаимно уничтожились – аннигилировали, превратившись в излучение. А фотоны, энергия которых к этому времени стала меньше, уже не могли порождать частицы и античастицы.

Наблюдения реликтового фона показали, что первоначальный избыток частиц по сравнению с античастицами составлял ничтожную миллиардную долю от их общего числа. Вот именно этих избыточных протонов и нейтронов и хватило на то, чтобы сформировать вещество современной Метагалактики. Так наш мир не превратился в Антимир.

В научном мире считается, что первые шаги в понимании загадки Большого взрыва сделал бельгийский ученый Жорж Анри Леметр. Правда, еще раньше петербуржец Александр Фридман нашел оригинальные решения уравнений теории относительности Эйнштейна, которые описывали удивительные пульсирующие миры, рождающиеся из загадочной точки первичной сингулярности. Однако следует помнить, что Фридман и по образованию, и по стилю научного мышления был прежде всего математиком. Поэтому он не довел свои вычисления до логического окончания – физической картины рождения Вселенной. Так что его можно было бы считать своеобразным предтечей современной космологии расширяющейся Вселенной, а вот титул отца‑основателя, без сомнения, принадлежит Леметру.

Вселенная во младенчестве

В результате компьютерного моделирования дозвездный мир предстает нам в виде темных первичных «семян» плотной материи, погруженных в горячую плазму элементарных частиц. Причина, по которой из однородной среды образовались массивные тела (звезды, планеты, галактики и т. д.), кроется в силе гравитации. Там, где плотность была чуть выше средней, сильнее было и притяжение, значит, более плотные образования становились еще плотнее. Изначально однородная масса со временем разделилась на отдельные сгустки материи, из которых сформировались галактики.

 

Вселенная Большого взрыва

Считается, что наша Вселенная возникла примерно 13 миллиардов 700 миллионов лет назад в результате загадочного Большого взрыва. Его природа до сих пор неизвестна, хотя многие теоретики считают, что зародышем нашего мира могли стать энергетические волнения – флуктуации в «непустой пустоте» вакуума, которые и дали начало всему сущему.

 

ВЗРЫВ ПЕРВИЧНОГО АТОМА

 

Леметр предложил в качестве зародыша Вселенной объект конечных размеров, сверхмассивный первичный атом. Его взрыв порождает опять‑таки сверхтяжелые и потому нестабильные осколки, фрагменты которых тоже должны делиться. Если принять во внимание количество частиц, которое, по современным оценкам, содержит Вселенная, то получится, что атом‑отец и его потомки во множестве поколений должны претерпеть несколько сотен делений и на этом остановиться.

Однако такая схема даже семьдесят лет назад не могла вызвать доверия. В процессе множественных делений в конце концов должны были возникать максимально устойчивые атомы. А поскольку наиболее стабильными являются ядра атомов железа, то в космических масштабах именно оно должно было оказаться самым распространенным элементом. Однако в тридцатые годы прошлого века астрономы уже достоверно знали, что Вселенная почти полностью состоит из водорода и гелия. Несомненным достоинством модели Леметра было то, что она предсказала и объяснила закон Хаббла. Но данные об элементном составе Вселенной не согласовывались с теорией первичного атома. В масштабе Макромира концепция бельгийского ученого работала превосходно, а на микроуровне заводила в тупик.

Следующий этап исследования Большого взрыва связан с именем замечательного русского ученого Георгия Антоновича Гамова. Гамов познакомился с моделью нестационарной Вселенной еще на студенческой скамье, когда учился у Фридмана. По окончании Ленинградского университета он посвятил себя ядерной физике и выполнил несколько классических работ, в частности построил теорию альфа‑распада и предложил капельную модель ядра. Впоследствии он эмигрировал и в своих исследованиях полностью переключился на астрофизику. Основываясь на работах Леметра, Гамов начал поиск решения проблемы возникновения в Большом взрыве окружающих нас химических элементов.

Поскольку расширение Вселенной приводит к ее постепенному охлаждению, сжатие должно вызывать обратный эффект. Поэтому, исследуя модель Леметра назад во времени почти до исходного момента, Гамов заключил, что сразу после рождения мира все имевшееся вещество было чрезвычайно нагрето. Это был огромный шаг вперед по сравнению с леметровским атомом, для которого понятие температуры вообще не имело смысла. Однако следовало еще определиться с составом первичной материи.

Гамов предположил, что ранняя Вселенная была заполнена элементарными частицами, включая протоны, нейтроны и электроны. Эту смесь он назвал айлемом, применив термин из средневекового английского языка, означавший нечто вроде первосубстанции, источника всего сущего. И на этот раз интуиция не подвела замечательного физика, ведь, по современным представлениям, к концу первой секунды Большого взрыва все известное нам вещество Вселенной полностью состояло из айлема.

Спустя некоторое время астрофизики, анализируя построения Гамова, пришли к выводу, что Вселенная должна быть заполнена микроволновым излучением, возникшим примерно через триста тысяч лет после ее начала. Это было предсказанием принципиально нового явления, еще неизвестного науке. Регистрация микроволнового излучения, осуществленная в шестидесятых годах прошлого века, оказалась сильным аргументом в пользу теории горячего рождения Вселенной.

Еще совсем недавно у физиков существовало своеобразное «табу» на исследование пространства и времени за границей рождения Вселенной. Сейчас уже возникло довольно много теорий, описывающих, как могло выглядеть то очень таинственное нечто, в чем и возник наш мир. Во‑первых, это, конечно же, должно быть не обычное состояние иного пространства‑времени. Ведь в нашей повседневной реальности вокруг нас не рождаются новые Вселенные! И даже если бы это происходило, то мы просто бы перенесли вопросы рождения Мироздания в эту старую Вселенную, а потом в еще более старую и так далее. В математике такой процесс хождения по кругу одних и тех же понятий носит название «дурная бесконечность», и он по определению не способен дать чего‑либо нового познанию. Поэтому физики и рассматривают среду, где возник наш мир, как суперпространство со многими измерениями.

Тут возникает очень любопытная логическая головоломка. Ведь если геометрического центра Большого взрыва не существует, и он происходил, а по некоторым теориям и происходит, «повсюду», то где‑то вокруг нас и спрятано суперпространство. Первые подозрения, как всегда в подобных случаях, вызывают так называемые сугубо квантовые объекты. Если представить наше Мироздание состоящим из этажей‑масштабов, то обитать эти удивительные частицы будут на дне подвала, где‑то вблизи самого фундамента мира. Этот этаж мы назовем сверхмикроскопической основой Вселенной. Там в кажущейся пустоте вакуума непрерывно бушуют штормы физических полей, периодически заставляя его выплескивать энергию – флуктуировать на более высокие масштабные этажи материи. При этом в сверхпространстве возникает вереница возмущений, чем‑то напоминающих пузырьки в пенящейся жидкости. Внутри каждого такого пузырька существует особенный мир и течет собственное время, стрелка которого летит краткий миг от рождения до «схлопывания». Подавляющая доля таких миров‑пузырьков имеет невообразимо малый период существования, но при этом они успевают проявить себя как полноценные замкнутые мини‑вселенные.