Эволюция Вселенной

2. Она возможна только  при удалении галактик друг  от друга и нахождении их  на больших космических расстояниях  более 1 000 миллионов парсеков, иначе  при сближении и слипании (т.  е. коагуляции) их исключена жизнь. 

3. Звездная система, как  наша Солнечная система, должна  быть образована и находиться  не в центре галактики, а  на периферийных рукавах спиральной  ее структуры: в центре галактики  обычно сильная концентрация  энергии и, следовательно, супервысокая  температура. В центре галактики  расположены квазары (т. е. квази-звездные  объекты) с гигантской плотностью  материи и концентрацией суперэнергии, поэтому вблизи квазаров исключена  возможность жизни. 

4. Для зарождения жизни  и ее существования необходимы  исключительно особые специфические  условия на планете: она должна  быть в определенной степени  «остывшей», а не «горячей» слишком,  ибо бытие молекул как соединение  атомов возможно только в определенных  пределах и границах от плюс  тысячи градусов до минус 150-200: при более низкой температуре  сначала «замораживаются» молекулы, а затем еще при низкой температуре  (-200° С) и атомы «замораживаются». В этих условиях сначала перестает  работать химия жизни, потому  что молекулы находятся вне  движения в «замороженном» состоянии,  а затем и физика жизни при  «замороженном» состоянии атомов.

Одним словом, жизнь как таковая возможна, потому что наша Вселенная симметрична: она остается в целом во всех точках и во всех направлениях и во все  моменты времени инвариантной, т. е. симметричной: скорость расширения Вселенной остается более или  менее одинаковой, неизменной и постоянной; средняя плотность космической  материи (вещества и излучения) во Вселенной  пока остается одинаковой (без учета  «темной материи») и т. д. И все-таки среди факторов космических, определяющих условия возможности возникновения и существования жизни, являются:

1. Асимметрия между веществом и  антивеществом: при аннигиляции  частиц и античастиц абсолютно  исключена жизнь. 

2. Доминирование вещества над излучением  в 1 000 раз: при равенстве, т.  е. симметрии, вещества и излучения  вряд ли возможно возникновение  и существование жизни. Поэтому  мы придаем столь важное значение  «вымерзанию частиц» как отделению  вещества от излучения, т. е.  «выходу» вещества из термодинамического  равновесия после Большого взрыва  и его отделению от излучения:  при радиационно-доминантной фазе  абсолютно исключена не только  возможность жизни, но и образование  атомов и молекул, которые образуются  только при вещественно-доминантной  фазе, когда Вселенная значительно  похолодала и ультрарелятивистские  частицы стали нерелятивистскими. 

3. Начальные условия Вселенной  не являются и не могут быть  произвольными и случайными: Большой  взрыв, как мы подчеркивали, двуединый  процесс диверсификации и инновации:  он есть поэтому фазовый переход  как конверсионный процесс образования  из «сгустка» чудовищной концентрации  энергии фундаментальных частиц  — кварков и лептонов —  и сил, их связывающих; затем  происходит конверсия кварков  в адроны. После «вымерзания»  частиц происходит аннигиляция  - рождение из «сгустка» энергии кварка и антикварка. Спрашивается, весь этот процесс как фазовый процесс аннигиляции и конверсии является ли случайным и произвольным, или в этих начальных условиях рождения при всех случайностях хаотизации есть какая-то закономерная необходимость, строго определяющая симметрию Вселенной в целом? На этот вопрос С. Хокинг отвечает утвердительно в своей работе «Черные дыры и молодые Вселенные» (М., 2001). Он отмечает следующие моменты:

1. Если разница масс протона  и нейтрона не была бы вдвое  больше массы электрона, то  не было бы основания существования  химии и биологии: то, что эта  разница масс протона и нейтрона  в два раза больше массы  электрона, служит основанием  возникновения атомов и молекул  и, следовательно, химии и биологии.

2. Если бы гравитационная масса  протона значительно отличалась  от действительности, то невозможно  было бы образование звезд,  ибо до образования звезд Вселенная  «захлебнулась», т. е. коллапсировала: гравитационная масса (т. е.  «темная материя») протона составляет 10-39 от массы протона. (Гравитационная  масса Земли к ее массе составляет 10-9, т. е. одну миллиардную часть  массы Земли, а Солнца —  10-6, а у белых карликов —  10-4.)

• Во-первых, из этого видим, насколько  слаба гравитационная сила по сравнению  с силами барионной материи. Поэтому  считают, что в области физики элементарных частиц гравитационный эффект настолько слаб, что можно силой  гравитации пренебречь: 10-39 гравитационной массы у протона по сравнению  с его массой барионной.

• Во-вторых, мы видим, что у элементарных частиц есть гравитационная масса, хотя пренебрежимо мал эффект ее влияния: однако в планковском масштабе трl = 1019ГэВ необходим учет гравитационной силы, иначе немыслимо объединение  всех типов взаимодействий.

• В-третьих, проблема распада протона  — это проблема нестабильности материи  вообще, а это проблема самого существования  Вселенной, ибо основным компонентом  вещества является протон, который  вместе с нейтроном составляет ядро атомов вещества. Срок жизни протона  — 10 с. До сих пор в многочисленных экспериментах во всех лабораториях мира по детектированию протона не обнаружен ни один случай распада  протона, ибо слишком сложен и  труден эксперимент для обнаружения  распада протона. В одной тонне  вещества содержится 1029 протонов, из которых  один распад осуществляется в десятилетие. Таковы начальные условия Вселенной (только некоторые), которые определяют симметрию Вселенной, точнее, служат основой одинаковой Вселенной, где  мы на малюсеньком клочке Земли существуем, не всегда раздумывая и размышляя о мироздании нашей Вселенной.

2. Эволюция  Вселенной

1. Большой взрыв: инфляционная модель

Первая и важнейшая проблема связана с причинами Большого Взрыва, сложившимися в первые мгновения Вселенной. Они моделируются так называемой гипотезой инфляционной Вселенной. В основе этой гипотезы — представление о существовании компенсирующей гравитационное притяжение силы космического отталкивания невероятной величины, которая смогла разорвать некое начальное состояние материи и вызвать ее расширение, продолжающееся по сей день. В этой модели начальное состояние Вселенной является вакуумным.

Физический вакуум — это наинизшее  энергетическое состояние всех полей, форма материи, лишенная вещества и  излучения, но характеризующаяся активностью, возникновением и уничтожением виртуальных  частиц (постоянно «кипит», но не выкипает) и способностью находиться в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями и давлениями, причем эти давления — отрицательные. Возбужденное состояние такого вакуума называют «ложным вакуумом», который способен создать гигантскую силу космического отталкивания. Эта сила и вызвала безудержное и стремительное раздувание «пузырей пространства» (зародышей одной или нескольких вселенных, каждая из которых характеризуется, допустим, своими фундаментальными постоянными*), в которых концентрировались колоссальные запасы энергии. Подобное раздувание Вселенной осуществлялось по экспоненте (за каждые 10-32 с диаметр Вселенной увеличивался в 1050 раз). Скорость раздувания значительно превосходила световую, но это не противоречит закону теории относительности, так как раздувание не связано с установлением причинно-следственных связей в веществе. Данный тип раздувания был назван инфляцией. Такое быстрое расширение означает, что все части Вселенной разлетаются, как при взрыве. А это и есть Большой Взрыв. В период квантовой космологии, т. е. с 10-43 с по 10-34 с произошло, по-видимому, и формирование пространственно-временных характеристик нашей Вселенной.

Но фаза инфляции не может быть длительной. Отрицательный (ложный) вакуум неустойчив и стремится к распаду. Когда распад завершается, отталкивание исчезает, следовательно, исчезает и  инфляция. Вселенная переходит во власть обычного гравитационного притяжения. «Часы» Вселенной в этот момент показывали всего 10-34 с. Но благодаря полученному первоначальному импульсу, приобретенному в процессе инфляции, расширение Вселенной продолжается, но неуклонно замедляется. Постепенное замедление расширения Вселенной — это единственный след, который сохранился до настоящего времени от начальных моментов Большого Взрыва.

В конце фазы инфляции Вселенная  была пустой и холодной. Но по окончании  фазы огромные запасы энергии, сосредоточенные  в исходном физическом вакууме; высвободились  в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную до температуры примерно 1027 К и энергии 1014 ГэВ. С этого момента начинается эволюция горячей Вселенной. Благодаря энергии возникли вещество и антивещество, затем Вселенная стала остывать и испытывать последовательные фазовые переходы, в которых постепенно стали «кристаллизоваться» все ее элементы, наблюдаемые сегодня.

Инфляционная модель Большого Взрыва объясняет крупномасштабную однородность и изотропность Вселенной, образование структур галактик и их скоплений из первичных малых возмущений плотности, особенности изменения радиуса пространственной кривизны (современное значение его близко к единице, как и в момент Большого Взрыва).

Несмотря на то что инфляционная модель разработана пока только частично, тем не менее она позволяет  успешно объяснить ряд фундаментальных  космологических закономерностей. Большой Взрыв перестал быть загадкой, лежащей за пределами естествознания.

2. Первые  секунды Вселенной                                     

Ранняя Вселенная представляла собой гигантскую лабораторию природы, в которой энергия, высвободившаяся  в результате Большого взрыва, пробудила  физические процессы, не воспроизводимые  в земных условиях.                     

Следующий этап рождения Вселенной  связан с так называемой эрой Великого объединения: возраст Вселенной  всего лишь 10-34 с, а температура около 1027 К. В этот момент Космос был заполнен  «супом» из странных, неведомых нам частиц, в том числе чрезвычайно массивных. Важнейшими составляющими экзотического «супа» были, вероятно, сверхмассивные частицы — переносчики взаимодействия в теориях Великого объединения, так называемые Х- и У-частицы. Именно эти частицы привели к асимметрии в соотношении вещества и антивещества.

Как показал А.Д. Сахаров (1967), при  падении Т < 1027 К Х- и У- бозоны уже не могут эффективно рождаться, задерживается и процесс аннигиляции; начинает преобладать процесс распада. Но распад частиц и античастиц идет по-разному (с нарушением барионного числа). В результате появляется небольшой избыток частиц над античастицами. По оценкам, эта асимметрия характеризуется отношением (109+ 1): 109, т.е. на каждый миллиард античастиц рождается миллиард плюс одна частица. Несмотря на малость этого эффекта, он играет решающую роль. По мере остывания Вселенной антивещество аннигилировало с веществом и при этом почти все вещество исчезало. «Почти», но не все, поскольку имелся избыток вещества над антивеществом в одну частицу на миллиард. Именно этот мизерный остаток и послужил материалом, из которого построена вся Вселенная, включая человека. Если бы этого остатка не было, то мир был бы практически «пустым», т.е. заполнен только полем, но не веществом. Можно сказать, что вещество возникло благодаря оплошности природы. Именно в эти самые ранние моменты развития Вселенной сложилась ее современная структура.

Таким образом, подавляющая часть  вещества, возникшего в процессе Большого Взрыва, аннигилировала в первые секунды Вселенной, а вместе с ним исчезло и все космическое антивещество. (Теперь понятно, почему во Вселенной так мало антивещества.) Исчезнув, оно превратилось в энергию: в процессе аннигиляции на каждый уцелевший электрон (или протон) возникало около миллиарда гамма-квантов. В результате расширения Вселенной это гамма-излучение «остыло», образовав к настоящему времени так называемое фоновое тепловое излучение, которое составляет значительную часть энергии Вселенной.

Спустя 10 -12 с после Большого Взрыва температура была столь высока (Т > 1015 К), что тепловой энергии оказалось достаточно для рождения всех известных частиц и античастиц, причем такой плотности, что установилось равновесие, при котором энергия равномерно распределялась между всеми видами частиц. На этой стадии характер вещества во Вселенной резко отличался от всего, что мы можем непосредственно наблюдать: вещество представляло собой «кварковую жидкость»; адроны не имели индивидуальных свойств; протоны и нейтроны не существовали как различные объекты; не различались слабое и электромагнитное взаимодействия; такие частицы, как электроны, мюоны и нейтрино, не существовали в обычном виде; кварки, лептоны, бозоны не обладают массой покоя, как и фотон; свойства фотонов перемешаны со свойствами W- и Z-частиц.

Однако вещество не могло продолжительно существовать в столь нестабильной фазе. Падение температуры ниже 1015 К вызывает внезапный фазовый переход, напоминающий замерзание воды и образование льда. В этот момент нарушается калибровочная симметрия, а электромагнитное взаимодействие отделяется от слабого. W и Z-бозоны, кварки и лептоны приобретают массу, а фотон остался безмассовым. Результатом этого перехода явилось возникновение известных нам частиц — электронов, нейтрино, фотонов и кварков, которые теперь вполне различимы.

Следующий фазовый переход происходит через одну миллисекунду после Большого Взрыва при Т = 1013 К и приводит к конденсации кварков. Кварки объединяются в группы (попарно или по три) и образуются адроны (протоны, нейтроны, мезоны и другие сильно взаимодействующие частицы). С этого момента открылся прямой путь для синтеза гелия, который и начинается через несколько минут после Большого Взрыва.

При Т ≈ 2 • 1010 К и t ≈ 0,2 с электронные нейтрино перестают взаимодействовать с частицами. Поскольку нейтрино стабильны и очень слабо взаимодействуют с веществом, мир для них оказывается практически прозрачным; они легко перемещаются во Вселенной, сохранившись до наших дней, только их энергия уменьшается из-за ее расширения. К нашей эпохе температура этих реликтовых нейтрино должна оказаться около 2 К. Обнаружение этого излучения будет великим достижением астрономии. Но пока, к сожалению, методы обнаружения таких реликтовых нейтрино не разработаны.