Стандартная модель опирается на наблюдаемые факты разбегания галактик, которые установлены еще Хабблом. И сегодня ни у кого нет сомнения в том, что вселенная расширяется.

В плоской и открытой фридмановской модели без учета темной энергии расширение продолжается бесконечно, но замедляется. При этом размер горизонта (области доступной наблюдению) увеличивается быстрее, чем масштабный фактор вселенной. По мере расширения вселенная становится более холодной. Однако число видимых галактик (внутри горизонта) возрастает. Вблизи горизонта появляются новые, ранее не наблюдавшиеся объекты – квазары.

Для того чтобы сказать о том, что «все течет и изменяется», нужно иметь представление о Начале. Такое представление о Начале в понимании возникновения материи, вещества, пространства и времени в Стандартной модели упирается в событие, которое физиками принимается за сингулярность – состояние сверхплотного вещества перед Большим взрывом. Не все в этой модели может быть объяснено. Например, по экспериментальным данным время жизни протона составляет не менее 10³⁰ лет. Это гораздо больше, чем время существования вселенной, в которой возникла частица протона. Физики молчаливо предполагают, что вещество, состоящее из протонов и нейтронов, в настоящее время уже не может образоваться, но было когда-то рождено во вселенной из так называемого сингулярного состояния, которое является само проблемой, так как свойства этого состояния не известны и не могут быть описаны в рамках ОТО.

Не совсем ясно, почему вещество в наблюдаемой вселенной преобладает над антивеществом, и почему возникла асимметрия во вселенной? Почему геометрия пространства вселенной близка к евклидовому? Почему нельзя противопоставить хаос и порядок как крайние состояния материи? Есть ли абсолютный порядок и возможен ли абсолютный хаос? Из чего возникла сингулярность: из хаоса или упорядоченного состояния? В каком направлении развивается Мир, к Порядку или Хаосу? Почему современная крупномасштабная вселенная выглядит изотропной?

Однако еще большие трудности возникают в альтернативных моделях Большому взрыву и на сегодня можно утверждать, что эта модель вместе с инфляционным Началом наилучшим образом объясняет многие процессы, которые наблюдаются в глубинах вселенной. Наилучшим образом – кроме самого Начала…

Попытки найти подходы к описанию структуры вселенной чаще всего приводят естественников к так называемой теории подобия. Она пытается связать единство микромира и макромира, предполагает нахождение таких элементарных структур, на основе трансляции которых можно описать любые периодические свойства эволюции материи, пространства, времени.

Теория подобия дает возможность, выделив коэффициент подобия, предсказать любое состояния периодичной изменчивости, если закон изменчивости существует. Например, в ряде чисел 1,2,3,…n, мы получаем арифметическую прогрессию, в которой 1 является слагаемым в направлении возрастания числового ряда. Или в ряде чисел 1,2, 4,8, ….n мы имеем дело с геометрической прогрессией, в которой любой последующий член вычислен путем умножения на 2.

Может ли существовать коэффициенты подобия при анализе структур вселенной? Если есть, то они должны объяснить, на основе каких законов можно описать микромир и макромир, которые, а priori, образуют завершенное единство материи, пространства, времени. Например, если все вещество в Метагалактике можно разбить на элементарные части от кванта и элементарных частиц, до атомов, молекул, космической пыли, микрометеоритов, макрометеоритов, комет, спутников планет, планет, звезд и т.д., то, найдя закон подобия, по величине его коэффициента мы можем описать структуру и свойства любой иерархической системы. И вселенной в целом.

Такие попытки делались и неоднократно. Например, Б.П. Иванов ¹ попытался выявить соотношения организационных форм материи и на их основе построил структуру Мира. Анализ построенной им модели позволил решить ряд физических проблем и уточнить некоторые расчетные параметры движения, энергий, масс и т.д.

Но дело в том, что если коэффициент подобия Б.П.Ивановым при спин-орбитальном взаимодействии электрона в атоме водорода оказался кратным 128 с предельной дискретностью 128⁷, то на основе этого он выделяет более тонкие подуровни организации взаимодействий через коэффициент подобия 128³=2²¹.

С.Федосин ² по отношению масс между самыми тяжелыми и самыми легкими атомами и между самыми массивными и самыми малыми звездами выводит другой коэффициент подобия 280. Это значит, что каждому химическому элементу как совокупности атомов определенного сорта можно поставить в соответствие звезды определенной массы. При этом размерам электронов будут соответствовать планеты с массой близкой, например, к Урану.

Как видим, в любой теории подобия можно найти коэффициент подобия, на основе которого можно описать любую структурную единицу Метагалактики, поскольку и первый, и второй авторы убеждены каждый в справедливости своей модели описания картины мироздания. Но Природа не хочет мириться ни с какими постоянными и моделями (последние всегда требуют подгонки под наблюдаемые явления), она более «изворотлива» в явлениях на основе бесчисленного количества превращений, которые не могут быть вложены ни в одну модель, какой бы она не казалась привлекательной.

Сегодня под «Стандартной моделью» вселенной понимается модель, отвечающая концепции Большого взрыва из состояния сингулярности, прошедшая стадию инфляции (раздува).

Основные параметры принимаемые «Стандартной моделью» современной вселенной:

плотность вещества в ней оценивается около 5,475358∙10^-30 г/см³;

плотность вещества в галактиках в среднем около 10^-29 г/см³;

плотность вещества в Солнечной системе около 10^-27 г/см³;

основная масса излучающего вещества равна 2,307957…∙10⁵³kg мала по

отношению к общей массы вселенной, равной 1,58136631∙10⁵⁶kg;

темное вещество невыясненной природы на 25% представляет собой так

называемую холодную энергию, и на 70 % – темное вещество;

современная оценка средней температуры вселенной на основе открытия

реликтового космического фонового излучения составляет около 2,73 К;

реликтовое фоновое космическое излучение слабо анизотропно и поляризовано;

возраст расширяющейся вселенной оценивается в 13,7 млрд. лет.

Модель горячей вселенной (модель Большого взрыва) была предложена еще Дж. Гамовым в 1948 г. Он выдвинул концепцию «горячей» вселенной, в которой рассматриваются ядерные реакции, протекавшие когда-то в плотном веществе. Температура должна была быть высокой и затем падала по мере расширения вселенной. Он практически предсказал, что первоначальным веществом, из которого образовались позже галактики и звезды, состояло на 75% из водорода и 25% гелия. В последствие это нашло свое подтверждение в эксперименте по открытию реликтового фонового излучения почти через 15 лет. Он также предсказал наличие во вселенной слабого электромагнитного излучения, названное реликтовым, оставшимся от начальных этапов расширения. Позже модель Гамова была уточнена и оформилась в современную научную теорию, которая основана на современных достижениях астрономии, астрофизики, космохимии.

Универсальная (догалактическая) стадия модели Большого взрыва

Основное положение теории Большого Взрыва заключается в том, что около 13,7 млрд. лет назад она возникла из бесконечно малой области размером 10^-33 см³, при плотности вещества в ней 10⁹³ г/см³ с бесконечно большой температурой около 10³²К. Это состояние называется сингулярностью.

В настоящее время хорошее подтверждение получила единая теория поля. Возможность объединения всех видов взаимодействий связана с температурой вещества. Согласно современным данным, объединение трех взаимодействий («великое объединение») наступает при температуре 10²⁸К, а т.н. «величайшее объединение» или «суперобъединение» наступает в условиях объединения всех четырех взаимодействий при температуре 10³²К. Последнее условие может быть достигнуто как раз в самой начальной фазе существования вещества во вселенной до момента расширения, то есть, в состоянии сингулярности.

Расширяясь, вселенная остывала, и в это время происходили фазовые переходы первичного состояния вещества, приводившие к отделению разных видов взаимодействий и к появлению массы покоя у некоторых частиц, которые в первоначальной горячей вселенной, двигаясь со световыми скоростями, имели нулевую массу покоя. Такая перестройка должна была сильно изменять темп расширения вселенной в сторону ее увеличения. Кварки и лептоны обрели массу, и Большой взрыв свершился.

По мере расширения вселенной кварки, объединяясь, породили протоны и нейтроны, а ядерный синтез привел к формированию ядер водорода и гелия в соотношениях близких к 70:30.

Один из вариантов эволюции ранней вселенной базируется на двух основных предположениях, занимающих прочное место в теории гравитации и физике элементарных частиц.

Во-первых, это подтверждение общей теории относительности в области сильных гравитационных полей.

Во-вторых, это существование единого поля при высоких энергиях (температурах), объединяющего все виды взаимодействий. Так называемое условие суперобъединения.

Теорией Большого взрыва предсказывается образование ядер, относительное содержание нескольких химических элементов, а также существование и точную температуру микроволнового фонового излучения, пронизывающего вселенную и оставшегося от ранних стадий расширения.

Мы можем представить себе начальные стадии Большого взрыва как действительно гигантский взрыв. Механизм взрыва будет характеризоваться ростом объема, снижением плотности вещества, падением температуры. Кинетическая (положительная) энергия возрастает за счет падения потенциальной (отрицательной) энергии. Однако только стадией Большого Взрыва нельзя было объяснить сам факт начального события, которое породило событие, приведшее к Большому взрыву.

Благодаря работам российских физиков Э. Глинера, А. Старобинского, американца А. Гута было описано новое явление – сверхбыстрое инфляционное расширение вселенной. Описание этого явления основывается на общей теории относительности и квантовой теории поля. Сегодня считается общепринятым, что именно инфляционный период предшествовал Большому взрыву.

Первая стадия. Инфляционная.

Выход из сингулярности. Время от события Х _→0. Стадия предшествовала Большому взрыву. Для того чтобы объяснить механизм Начала, физикам пришлось предположить существование гипотетического поля, которые было названо «инфлатонным» от слова инфляция. Это поле заполняло все пространство.

Прибегая к аналогии, физики попытались объяснить инфляцию, связанную с подобием образования снежного кома, набирающего при своем движении скорость вниз по склону горы. В качестве «инфлатонного» поля в этой аналогии выступает засыпанный снегом склон со всеми неровностями, на поверхности которого вкраплен разнородный материал, представленный веточками, обломками камней, кусков фирна и т.д. Случайно на вершине произошел сдвиг, породивший небольшой комок липкого снега и тот полетел вниз по склону, увеличиваясь в размерах, так как на него налипают снежные частицы со всеми вкраплениями, неравномерно или равномерно разбросанные до этого. Чем больше размер снежного кома, тем быстрее он будет скатываться к подошве склона. Превратившись в огромный ком, он падает в пропасть с еще большим ускорением. Достигнув дна, ком разлетится от удара на мелкие кусочки, и часть кинетической энергии отдаст на нагрев окружающей среды.

Таким образом, физики переносят аналогию на «инфлатонное» поле. Благодаря случайным колебаниям оно могло принимать разные значения в произвольных пространственных областях и в разные моменты времени. Ничего существенного не происходило, пока случайно не возникла однородная конфигурация этого поля размером 10^-33 см.

Что же касается современных данных о начальных моментах вселенной, то она в первые мгновения жизни должна была иметь размер 10^-27 см. На таких масштабах уже справедливы законы физики (С.Зарубин, 2000). В этом смысле дальнейшее поведение системы можно предсказать. Оказывается, сразу после этого пространственная область, занятая флуктуацией (колебание связанное со случайным отклонением наблюдаемых физических величин от их средних значений), начинает очень быстро увеличиваться в размерах, а инфлатонное поле стремится занять положение, в котором его энергия минимальна. Такое расширение продолжается всего 10^-35 с, но его достаточно, чтобы диаметр вселенной возрос, как минимум, в 10²⁷ раз (!) и к окончанию инфляционного периода вселенная приобрела размер примерно 1 см. Инфляция заканчивается, когда инфлатонное поле достигает минимума энергии. Накопившаяся кинетическая энергия переходит в энергию рождающихся и разлетающихся частиц. Происходит нагрев вселенной. Этот момент называется Большим взрывом.

Область, занятая инфлатонным полем, разрасталась гораздо больше скорости света, что в принципе не противоречит теории относительности А.Эйнштейна. Быстрее света не могут двигаться лишь материальные объекты, а в той области, где рождалась вселенная (?)…в данном случае двигалась воображаемая нематериальная граница

Сразу после окончания инфляции гипотетический наблюдатель изнутри, увидел бы вселенную, заполненную энергией в виде материальных частиц и фотонов. Расстояние между частицами быстро увеличивается из-за всеобщего расширения. Гравитационное взаимодействие между частицами уменьшает их скорость, поэтому расширение вселенной после завершения инфляционно периода замедляется.

Можно избежать проблемы инфляции и инфлатонного поля, не нарушая фундаментальность скорости света если признать, что сингулярность представляет собой сверхплотное вещество, из которого образовалась вселенная по модели Большого взрыва. В таком случае искривлённость пространства сингулярностью (рис. 6.3) будет изначально соответствующей пространству будущей вселенной, поскольку в сингулярность втиснута вся масса излучающего вещества вселенной 2,307957…∙10⁵³kg. То есть сингулярность, создающая пространство своего развития, создаёт условия существования события (стало быть, и времени). Появление же самой сингулярности необходимо отнести к свойству бесконечного преобразования материи с образованием сингулярности – выходом из неё – исчезновение в новой сингулярности… отсюда, пространство, созданное сингулярностью не может быть превзойдено расширяющейся вселенной. Наблюдаемое ускоренное расширение вселенной может представлять собой процесс гравитационного влияния соседних вселенных, образовавшихся в другое время в другом пространстве, не прибегая к таинственной темной материи и тёмной энергии. А свидетельством неоднократных событий перехода вселенных из сингулярности и исчезновения в ней служит бесконечно большой период полураспада протона, равный 1·10³⁰ лет.

Множество вселенных может возникать из «брызг» невзорвавшихся сингулярностей по аналогии с тем, как при взрыве взрывчатки не успевает сгорать и взрываться исходное вещество, по остаткам которых взрывотехники определяют состав взорвавшегося вещества. Только выход из сингулярности должен происходить несколько позже. Они по аналогии создают своё (движущееся и расширяющееся пространство, взаимодействующее с исходным и т.д.).

Рис. 6.3. Пространство, формирующееся сингулярностью, не может быть превзойдено расширяющейся вселенной при выходе из неё. Свойства пространства, создаваемой сингулярностью определяют свойства и закономерности движения материи в образовавшейся вселенной. Малый объем сингулярности должен формировать огромную угловую пространства. В результате пространство изначально должно быть близко к евклидовому, однородному, изотропному. Поскольку взрыв порождает турбулентный характер истекающего вещества, то при выходе его из сингулярности движение вещества также должно отвечать турбулентности.

Дальнейший сценарий развития вселенной не противоречит модели Большого взрыва. По мере расширения вселенной меняется состав материи. Появляются кварки. Они объединяются в протоны и нейтроны, и вселенная оказывается заполненной элементарными частицами: протонами, нейтронами, электронами, нейтрино и фотонами и их антиподами – античастицами. Вселенная развивается по симметричному сценарию. Рождающиеся частицы и античастицы аннигилируют, выделяя дополнительное количество энергии. Вещество, таким образом, не может образоваться.

Наступает адронная эра. Она связана с образованием пар протонов-антипротонов из нейтронов, а также положительно и отрицательно заряженных мезонов. С увеличивающимся расширением вселенной понижается температура. Реакция аннигиляции прекращается. Формируется электромагнитное излучение, которое вначале было очень плотным, но по мере расширения вселенной оно теряло свою плотность, оставаясь близко к изотропному и слабо поляризованному. Сегодня мы наблюдаем это излучение в виде реликтового фонового космического излучения, как отголоска событий прекращения развития вселенной по сценарию симметрии. Дальнейшая эволюция вселенной привела к образованию её асимметрии. И эта асимметрия с тех пор проявлена на всех уровнях организации материи в ней.

Аннигиляция протон-антипротонных пар высвобождала колоссальное количество энергии и затем стимулировала образование лептонов. Случайно или нет, но во вселенной с момента появления Х-бозона (частицы Хиггса) начинает доминировать вещество над антивеществом. Обнаружение частицы Хиггса на Большом адроном коллайдере позволит усилить позиции «Стандартной модели», предсказавшей её наличие. Если эта частица не будет обнаружена, потребуется создание другой модели и теории вселенной.

Полагают, что одной из первых реакций, приводящих к образованию тяжелых ядер, является реакция слияния протонов и нейтронов:

p + n → α + γ

Как показали расчеты, эта реакция идет при температуре 10¹⁰К, что соответствует соотношению нейтронов и протонов во вселенной равному 0,2 и времени, примерно, 3 с – 1 минута. В таких условиях дейтерий (D) образуется в достаточном количестве для производства ядер с массой 3 в реакциях:

D + n → ³H + γ,

D + p → ³He + γ.

Или:

D + D →

D + D → ³He + n.

Гелий же может образоваться в результате реакций уже на третьей минуте жизни вселенной:

3H + p → ⁴He + γ,

3He + n → ⁴He + γ.

Таким образом, на третьей минуте после начала расширения наступил захват нейтронов протонами с образованием ядер дейтерия, трития, гелия.

Так как не существует стабильной массы 5, то ⁴He является последним ядром в начальном этапе нуклеосинтеза.

Так наступила лептонная эра. После ряда сложных взаимодействий частиц с античастицами, рождения электронных пар и аннигиляций наступило время, когда протонов и нейтронов осталось, примерно, поровну. Но при дальнейшем понижении температуры нейтроны начали медленно распадаться, превращаясь в протоны, электроны и антинейтрино.

Таким образом, содержание гелия на третьей минуте достигло современного значения 28 – 30 % от общей массы вещества. Соотношение водорода и гелия в современной вселенной сегодня хорошо измерено и соотносится как 70:30.

Первая стадия первичного ядерного синтеза непосредственно предшествует эпохе рекомбинации, когда температура среды упала настолько, что свободные электроны и новорожденные ядра начинают объединяться в нейтральные атомы. Взаимодействие вещества и излучения вначале ослабевает, а затем полностью прекращается. Наступает эра отделения вещества от излучения.

Итак, при температуре порядка 10¹³ К, когда котел вселенной представлял собой кипящее месиво равных количеств частиц и античастиц (электронов и позитронов, нейтронов и антинейтронов, протонов и антипротонов), существовал некий баланс между количеством реликтовых фотонов. Однако если бы число тяжелых частиц и античастиц (барионов) было в точности одинаково для каждого сорта, то в ходе расширения вселенной они бы все аннигилировали, превратившись в реликтовые фотоны и нейтрино, и во вселенной, кроме реликтового излучения и нейтрино, вообще бы ничего не осталось. Оказалось, что на каждый миллиард частиц и античастиц приходилась одна тяжелая частица, которая и породила потом весь вещественный (асимметричный ³) мир окружающей нас вселенной.

Таким образом, в ранней истории вселенной в момент действия теории Великого объединения нарушается барионный заряд. В этих случаях появляются сверхтяжелые хиггсовы и калибровочные частицы (Х-бозоны), которые и послужили основой формирования вещества во вселенной. Они зарождались в интервале 10^-34 – 10^-30 сек после начала расширения.

То есть важнейшим обстоятельством ранней истории расширения вселенной являлся факт асимметрии между тяжелыми частицами и античастицами ⁴. При температуре 10¹³К темп всех процессов взаимодействия с Х-бозонами и их античастицами оказывается медленнее, чем темп расширения вселенной. Эти частицы не успевают аннигилировать и их концентрация оказывается «замороженной». После медленной аннигиляции последних наблюдается асимметрия в образовании большего количества частиц, чем античастиц… И, в конце концов, вещество начинает накапливаться… и доминировать во вселенной.

Наблюдаемое сегодня разнообразие элементарных частиц и легких элементов хорошо согласуется со Стандартной моделью. Это означает, что известные нам физические законы одинаковы во всей наблюдаемой части вселенной.

Как бы мы не смотрели на разные теории о симметричности или несимметричности вселенной (существует или не существует в ее бескрайних просторах антивещество, способное создать антимиры), мы имеем основание предполагать асимметричный характер ее строения и вещества в ней. Предсказания стандартной космологической модели относительно содержания легких элементов (водорода, дейтерия, гелия и лития) в современной вселенной хорошо согласуются с наблюдаемыми фактами.

Сценарий раздувающейся вселенной создавался на основе новейших достижений физики высоких энергий. Существуют его разные варианты, но основная идея остается неизменной, и в настоящее время этой теории придерживается большинство космологов.

Напомним, что еще в двадцатые годы теорию расширяющейся вселенной на основе общей теории относительности создал отечественный теоретик А.А.Фридман. Затем возникла теория горячей вселенной, согласно которой в некий начальный момент времени t → 0 наш мир был создан из вещества в состоянии огромной плотности и высочайшей температуры. Эта теория получила блестящее подтверждение после открытия в 1964 году американскими астрономами А.Пензиасом и Р.Уильсоном реликтового электромагнитного излучения, проникающего к нам из самых разных направлений видимой области небосвода.

При массе внутри оболочки М, радиус которой R, плотность вещества d, скорость u, H – постоянная Хаббла, G – ньютоновская гравитационная постоянная, к – постоянная кривизны (+1, –1 или 0), получим:

v²/2 + GM/R = - k/2

или, принимая зависимость Хаббла u= НR, обретем:

H²/2 + 4π/3Gd = - k/2R²

Это и есть уравнение Фридмана, описывающее модель Большого взрыва.

Однако в объеме расширяющегося пространства будет соблюдаться некий баланс энергии расширения оболочки и гравитационной потенциальной энергии оболочки.

Уравнение Фридмана связывает кинетическую энергию расширения с гравитационной потенциальной энергией произвольного сферического распределения вещества во вселенной. Сумма этих двух видов энергии должна быть неизменной во времени.

Рост кинетической энергии в расширяющейся оболочке может происходить только за счет гравитационной (по аналогии с летящим вверх камнем или падающим на землю: при достижении такого положения, когда камень зависнет в верхней точке, кинетическая энергия равна нулю, а потенциальная – максимальна).

Из этого уравнения, при k = 0, кинетическая энергия Н²/2 уравновешивается гравитационной (потенциальной) энергией –4p/3Gd, следовательно вселенная в этом положении не расширяется. При k = 1, вселенная расширяется, а при k = –1, вселенная испытывает сжатие.

Однако хронология ранних этапов развития вселенной может быть намечена лишь приблизительно. О сингулярном этапе существования вселенной мы почти ничего не знаем. Можем только догадываться, что это время – предыстория Большого взрыва, который произошел по каким-то причинам, когда сингулярность была нарушена и развитие вселенной пошло по рассматриваемому сценарию.

Примерно 13,7 миллиардов лет тому назад вселенная совершенно была не похожа на современную ни по физическому состоянию, ни по составу. Пространство было заполнено плазмой, состоящей из различных элементарных частиц и фотонов. При этом на определенном этапе развития излучение резко преобладало.

Ссылки