Большой взрыв: инфляционная модель

11.7.2. Большой взрыв: инфляционная модель

Возможность установить процессы, происходящие на первых секундах и минутах существования Вселенной, безусловно, следует рассматривать как блестящее достижение современного естествознания. Возможность моделировать первой секунды означает приближение к самой главной загадке природы - самому акту "сотворения мира"! Первые секунды Вселенной - это время таинственных состояний вещества и неведомых сил природы. Конечно же, здесь следует быть осторожным. Наши представления об этом отрезке времени основаны во многом на гипотезах и гипотетических экстраполяциях, теоретическом моделировании, во многом спорных и умозрительных.

Первая и важнейшая проблема - это проблема того, чем был вызван Большой взрыв? Большой взрыв моделируется т.н. гипотезой инфляционной Вселенной. В основе этой гипотезы - представление о существовании компенсирующей гравитационное притяжение силы космического отталкивания невероятной величины, которая смогла разорвать некое начальное состояние Вселенной и вызвать ее расширение, продолжающееся и по сей день. Кроме того, начальное состояние Вселенной является вакуумным.

Физический вакуум - это форма материи, лишенная вещества и излучения, но характеризующаяся активностью (постоянно "кипит", но не выкипает) и способностью находится в одним из многих состояний с сильно различающимися энергиями и давлениями, причем эти давления - отрицательные. Отрицательные давления и создают гигантскую силу космического отталкивания, которая и вызывает безудержное и стремительное расширение одной или нескольких вселенных, каждая из которых характеризуется, допустим, своими фундаментальными постоянными. (О концепции множественности Вселенных. См.: Розенталь И.Л. Вселенная и частицы. М., 1990)

Подобное расширение Вселенной осуществляется по особому закону: каждые 1 0 n сек, где n = - 3 4, все области Вселенной удваивают свои размеры, затем этот процесс удвоения продолжается в арифметической прогрессии. Такой тип расширения и был назван "инфляцией". Такое быстрое расширение и означает, что все части Вселенной разлетаются, как при взрыве. А это и есть Большой Взрыв! В период квантовой космологии, т. е. с 1 0 n с, где n = - 4 3 , по 1 0 n с, где n = - 3 2 , произошло, по-видимому, и формирование пространственно-временных характеристик нашей Вселенной.

Но фаза инфляции не может быть длительной. Отрицательный вакуум неустойчив и стремится к распаду. Когда распад осуществляется, отталкивание исчезает. Это значит, что инфляция исчезает и Вселенная переходит к во власть обычного гравитационного притяжения. "Часы" Вселенной тогда показывали всего 10 n сек (где n = - 34).Но благодаря полученному первоначальному импульсу, приобретенному в процессе инфляции, расширение Вселенной, которое мы сейчас наблюдаем, продолжается и неуклонно снижается. Постепенное замедление расширения Вселенной - это единственный след, который сохранился до настоящего времени от момента Большого взрыва.

В конце фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Но с окончанием фазы инфляции произошло высвобождение огромных запасов энергии, сосредоточенных в исходном физическом вакууме. Когда вакуум распался, колоссальная энергия высвободилась в виде в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную примерно до температуры 1 0 n К, где n = 2 7 . С этого момента и начинается эволюция "горячей Вселенной". Благодаря энергии возникло вещество и антивещество, затем Вселенная стала остывать и постепенно стали "кристаллизовываться" все ее элементы, наблюдаемые сегодня.

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.

11.7.3. 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 10n с, где n = - 3 2 , а температура около 10n К, где n = 2 9 . 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.

По оценкам эта асимметрия характеризуется отношением (10n + 1): 10n , где n = 9 , 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 10n с, где n = - 1 2 , после Большого взрыва температура была столь высока, 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: адроны не имели индивидуальных свойств; протоны и нейтроны не существовали как различные объекты; вещество представляло собой "кварковую жидкость"; не различались слабое и электромагнитное взаимодействия; такие частицы, как электроны, мюоны и нейтрино, не существовали в обычном виде; свойства фотонов перемешаны со свойствами W и Z -частиц. Такое состояние Вселенной, заполненной таинственной жидкостью и населенной неведомыми нам частицами, в последующие времена никогда не повториться.

Однако вещество не могло продолжительно существовать в столь нестабильной фазе. Падение температуры ниже 10n К (где n = 15) вызывает внезапный фазовый переход, напоминающий замерзание воды и образование льда. Результатом этого перехода явилось возникновение известных нам частиц - электронов, нейтрино, фотонов и кварков, которые теперь вполне различимы. В этот момент нарушается калибровочная симметрия, а электромагнитное взаимодействие отделяется от слабого.

Следующий фазовый переход происходит через одну миллисекунду после Большого взрыва и при Т=10n К ( где n = 13) приводит к конденсации кварков. Кварки объединяются в группы (попарно или по три) и образуются адроны (протоны, нейтроны, мезоны и другие сильно взаимодействующие частицы).

При Т ~ 2 · 1 0 n K (где n = 1 0) 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 и их энергия уменьшается только 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.

По мере дальнейшего падения температуры аннигилировали, создавая интенсивное гамма-излучение, все оставшиеся античастицы, и вещество превратилось в знакомую нам смесь протонов, нейтронов, электронов, нейтрино и фотонов. С этого момента открылся прямой путь для синтеза гелия, который и начинается через несколько секунд после Большого взрыва.