Загадка большого взрыва

Герман РОЗМАН,
доктор физико-математических наук, профессор ПГПИ,
Соросовский лауреат.

Ученые установили, что нашей Вселенной 15 млрд. лет. Её появление связано со взрывом, получившим название «Большого взрыва».

Но откуда известно, что Вселенная взорвалась и что взорвалось? И что было до этого, и что последовало после этого? Эти и многие другие вопросы возникли перед учеными во второй половине XX века и остались в науке XXI века.

Вспомним немного историю. В 1916 г. великий физик Альберт Эйнштейн создал новую физическую теорию - Общую теорию относительности, ставшую основой космологии - науки о происхождении и развития мира. Согласно первоначальному решению проблемы, данному самим Эйнштейном, Вселенная стационарна и конечна в своих размерах. Однако в 1922 г. российский ученый А. А. Фридман рассмотрел более сложный сценарий развития Мира. Один из вариантов его решения предполагал расширение Вселенной. Американский астроном Э. Хаббл, наблюдая движение далеких звезд, подтвердил факт расширения: звезды удалялись от нас и друг от друга. Снова возникали вопросы: почему Вселенная расширяется, ведь по закону всемирного тяготения, открытого еще Ньютоном, звезды должны притягиваться друг к другу? И как долго это расширение будет продолжаться?

Ученые, в том числе и наши российские, ищут ответы на все поставленные выше вопросы. И уже есть факты, которые позволяют восстановить сценарий Взрыва, дать возможные варианты ответов.

Около 40 лет назад было обнаружено слабое электромагнитное излучение (радиоволны), которое равномерно заполняет все мировое пространство. Его назвали «реликтовым», то есть сохранившимся от момента начала расширения Вселенной. Занимая все большее пространство, реликтовое излучение остывало, имея вначале очень высокую температуру. Такую же высокую температуру имело и вещество - Вселенная была горячей. Анализ свойств реликтового излучения позволяет понять, почему Вселенная в больших масштабах была и остается однородной, средняя плотность вещества постоянна. Дело в том, что только в этом случае сегодня мы и наблюдаем, что со всех сторон на Землю приходит однородное реликтовое излучение: оно проходит через однородно заполненное материей пространство. Но сразу возникает другой вопрос: почему в диаметрально противоположных точках Вселенной одинаковое состояние материи, что и определяет упомянутую выше однородность излучения, приходящего со всех сторон. Эта загадка Вселенной называется «Проблемой горизонта».

Согласно расчетам А. Фридмана, основанным на положениях Общей теории относительности Эйнштейна, в момент Большого взрыва средняя плотность вещества была близка к так называемой «критической плотности». От критической плотности зависит сценарий развития Вселенной: либо она будет всегда расширяться, либо наступит момент, когда расширение закончится и начнется сжатие. Ученые не могут сейчас определить массу всего Мира. Помимо других причин есть еще одна: предполагается для объяснения наблюдаемых явлений существование «скрытой», невидимой массы, природа которой еще не определена. Поэтому не ясно, какова же критическая плотность вещества Вселенной, каков будущий сценарий развития Мира. Эта загадка получила название «Проблемы критической плотности».

В начале Большого взрыва материя состояла из горячей плазмы, частицы которой обладали зарядами разных знаков. В момент времени, отстоящий на 10^-33 секунды от начала взрыва, начал - ось объединение разноименно заря-женных частиц. Эта «эпоха Великого объединения» поставила перед учеными новую загадку: почему сегодняшний мир состоит преимущественно из частиц, куда исчезли античастицы в нашей Вселенной? Куда исчезли и другие свидетели Большого взрыва, так называемые магнитные монополи, предсказанные теоретически, «на кончике пера» английским физиком Дираком еще в 1928г? Возникла новая загадка развития Вселенной - «загадка монополей».

До сих пор не решена загадка рождения звезд и планет. Одно достоверно ясно, что в стационарной Вселенной Эйнштейна (см. выше) они образоваться не могли.

Все упомянутые выше загадки - это последствия Большого взрыва. Теория тяготения, построенная великим Ньютоном, не может объяснить это явление. По закону всемирного тяготения Ньютона материальные образования могут только сближаться благодаря взаимному притяжению. Мы это ощущаем ежемоментно, находясь как на Земле, так и в ближнем космосе. Но в 1972 г. советские физики Э. Глинер, Д. Киржниц и А. Линде, исходя из Общей теории относительности Эйнштейна, подсчитали, что в момент взрыва плотность вещества была фантастической - 1094 г/см³ (для сравнения - плотность вещества в ядрах -1016 г/см³).Оказывается, что при этих состояниях материи в ней возникают не только силы притяжения, но и во много раз более мощные силы отталкивания. Именно эти силы отталкивания и вызывают расширение Вселенной. Эти выводы наших ученых получили дальнейшее развитие и сейчас считаются вполне правдоподобными.

Вещество расширяющейся Вселенной меняло свои свойства в процессе раздувания, такие переходы материи из одного состояния в другое называют фазовыми переходами (в нашей обыденной жизни такими фазовыми переходами являются, например, кипение воды и превращение ее в пар). Расчеты показывают, что известные нам элементарные частицы-электроны, протоны, нейтроны и т.д. возникли через время 10^-25 секунды после Взрыва в результате перехода материи в новое фазовое состояние.

Модель расширяющейся Вселенной позволяет дать предварительные ответы на некоторые поставленные выше вопросы. Расположенное сегодня на краю горизонта видимости в противоположных его точках вещество когда-то находилось «совсем рядом», практически совпадало, находилось в одинаковых условиях. И разлетаясь, развивалось одинаково. Поэтому со всех сторон к нам на Землю и приходит однородное реликтовое излучение.

Выше говорилось, что расширяющаяся Вселенная испытывала фазовые переходы. Но в тех условиях «действовали» не классические, а квантовые законы. Не во всем пространстве одновременно происходили эти переходы, что благоприятствовало образованию «сгустков» материи, из которых и могли образоваться звезды и планеты. Такую гипотезу предложил английский астрофизик, человек удивительной судьбы С. Хокинг и упомянутые выше наши ученые.

Относительно отсутствия монополей в сегодняшней Вселенной предлагается такой «простой» ответ: для рождения монополей необходимы условия, которые были только лишь в первые мгновения Большого взрыва. Затем они уже больше не возникали. А разбросанные по всей расширяющейся Вселенной первые монополи становятся практически ненаблюдаемыми. Значительно сложнее объяснить ассиметрию частиц и античастиц в нашем мире. Напрашивается такой выход: может быть, в один из фазовых переходов материи (см. выше) устойчивость античастиц уменьшилась по сравнению с частицами и они исчезли...

Попытаемся «ответить» на вопрос: а что было до Большого взрыва, исходя из гипотезы наших ученых А. Линде и А. Старобинского, высказанной ими еще в 1986г. В основе новой гипотезы положена определяющая роль квантовых процессов, которые должны происходить при гигантских плотностях материи. Вселенная находилась (и, возможно, еще находится) в состоянии с отрицательным давлением и поэтому раздувается. В разных местах возникают квантовые неустойчивости при одинаковых начальных условиях. Пусть первоначальный элемент объема увеличился (из-за раздувания) в поперечнике вдвое. Тогда сам объем увеличился в 8 раз, вместо одного элемента объема будет 8 раздувающихся «мини-Вселенных», которые будут «жить» независимо друг от друга. Это первое (с момента нашего рассмотрения) поколение мини-Вселенных. Процесс «размножения» должен продолжаться, так как каждая мини-Вселенная по-прежнему находится в состоянии с отрицательным давлением (именно оно и вызывает раздувание мини-Вселенных). Согласно этой гипотезе Вселенная вечно воспроизводит саму себя. У такой Вселенной нет ни начала, ни конца. В таком мире постоянно происходят «Большие взрывы». В одной из таких Вселенных живут земляне...