Мир астрономии. Рассказы о Вселенной, звездах и галактиках - Мухин Лев Михайлович. Страница 11

Итак, бурная молодость Вселенной закончилась. Она была непродолжительной. Что значат несколько минут по сравнению с многими миллиардами лет?

Но именно эти несколько минут определили весь будущий облик нашего мира. Изменись хоть немного темп расширения Вселенной в эти первые сотни секунд, изменился бы и химический состав Вселенной. Например, если бы «замораживание» нейтронно-протонного состава произошло раньше, чем через одну секунду после Большого Взрыва, то бóльшая часть вещества Вселенной состояла бы не из водорода, а из гелия, и наверняка мы имели бы совершенно другой мир, чем тот, который перед нами сегодня.

Итак, когда прошли процессы аннигиляции, главную массу вещества Вселенной составляли фотоны, нейтрино и примесь высокотемпературной нейтральной плазмы, состоящей из протонов, ядер атомов гелия и электронов. Нейтрино, как мы уже говорили, с веществом не взаимодействует, а фотоны, наоборот, энергично рассеиваются на электронах, и поэтому вещество для них непрозрачно. Но с понижением температуры фотоны постепенно теряли свою энергию и в конце концов, когда «термометр» стал показывать примерно 4000 K, начались процессы рекомбинации электронов и ядер атомов гелия.

Энергии фотонов уже недостаточно, чтобы ионизировать атомы, и во Вселенной появляются сначала атомы гелия, а затем и водорода, который становится главным элементом мира.

Процесс рекомбинации начался, когда Вселенной было около 300 тысяч лет, и закончился еще через 700 тысяч лет. Этот период также очень важен для космологии. Фотоны, как мы знаем, взаимодействовали с высокотемпературной плазмой, и она была для них непрозрачной. Но, как только гелий и водород стали нейтральными, фотоны получили возможность распространяться свободно, произошло, как принято говорить в космологии, отделение вещества от излучения. С этого момента Вселенная стала прозрачной для фотонов, а они продолжали остывать по мере расширения Вселенной.

Как мы знаем по температуре реликтового излучения, «остыли» они довольно сильно, от 4000 K до 3 K, то есть температура уменьшилась за это время более чем в тысячу раз. Ну а Вселенная соответственно увеличила свои размеры примерно в тысячу раз.

Итак, мы остановились на моменте времени, когда Вселенная еще молода. Ей примерно миллион лет. Она заполнена фотонами, водородом, гелием и нейтрино. Правда, многие физики уверены в том, что есть еще целый зоопарк различных таинственных частиц, в частности гравитонов и монополей.

В принципе на этом можно было бы и закончить рассказ о детстве нашей Вселенной, о первых этапах ее эволюции, и перейти к таким интересным вопросам, как образование звезд и галактик. Но мне хотелось бы, быть может, в нарушение законов жанра научно-популярной литературы, снова коротко обсудить ранние этапы развития мира. Дело в том, что эта часть нашего рассказа, с одной стороны, была перенасыщена информацией, а с другой — эта информация носила довольно расплывчатый характер. И чтобы не сложилась ситуация, когда за деревьями не видно леса, попробуем взглянуть снова на главные моменты эволюции и на некоторые нерешенные вопросы.

Новые подходы

Итак, самое начало рождения, планковское время 10^–43 секунды. Плотность вещества 10⁹⁴ г/см³. Температура 10³² K.

В этом случае более удобно (и понятно) говорить о том, что Вселенная заполнена самыми различными видами излучения, полями чудовищной плотности. Частиц нет.

Итак, эта смесь различных типов излучений начинает расширяться. Почему? Неизвестно. Это первая фаза Большого Взрыва. Попытки описать поведение этих самых-самых ранних стадий Вселенной ограничены на сегодняшний день несовершенством физики. Многие физики полагают, что вот-вот будет создана «идеальная» физическая теория, позволяющая объяснить «все», в частности, такой вопрос: имеет ли время начало, что происходит в допланковскую эпоху?

На эти вопросы нельзя закрывать глаза. Ведь с чисто философской точки зрения планковские константы не должны ограничивать уровень нашего познания. Сейчас физики думают, что на расстояниях меньше 10^–33 сантиметра континуум пространства-времени распадается, приобретает структуру, напоминающую мыльную пену, где каждый пузырь появляется за счет квантовых флуктуаций гравитационного поля. Я уже не говорю о том, что при гигантских энергиях, соответствующих планковским масштабам, многие частицы, считающиеся сейчас элементарными, например кварки, могут быть вовсе не элементарны. И перед физикой элементарных частиц, и перед космологией стоит, как Эверест, проблема создания единой теории объяснения мира.

Может показаться забавным тот факт, что эта теория уже имеет название — супергравитация. Название, бесспорно, красивое, но о предсказательной силе этой теории пока еще нечего говорить. Выдающийся физик современности С. Хокинг полагает, что к концу нашего столетия теоретическая физика будет закончена как наука, другими словами, реализуется мечта Эйнштейна о создании полной единой теории, описывающей мир. Бесспорно, бурное развитие науки дает известные основания для подобной точки зрения, но… Природа любит делать сюрпризы, и современная физика вряд ли от них застрахована.

Сегодняшняя физика берется объяснить все или почти все, что происходило во Вселенной, начиная с времен 0,01–1 секунды от Большого Взрыва. Этому в немалой степени способствует состояние термодинамического равновесия на самых ранних этапах жизни Вселенной. Огромные температуры обеспечивали это равновесие.

Почему равновесие так важно для последующей истории вещества? Почему мы можем не обращать внимания на то, что было в момент времени, скажем 10^–20 секунды, а сразу «начать» с 10^–2 секунды? Да по той простой причине, что если вещество находится в состоянии термодинамического равновесия, оно «не помнит» своей предыстории, ему, веществу, совершенно безразлично, каким путем его «довели» до состояния равновесия.

Простой пример. Вода в чашке на столе находится в равновесии с собственным паром при температуре, скажем, 20 °C. Но я могу получить эту воду самыми различными путями. Можно, например, нагревать кусок льда от температуры, близкой к абсолютному нулю, до комнатной, причем это можно делать в течение года или часа. Можно, наоборот, сконденсировать водяной пар из горячих вулканических источников. Можно развалить молекулы воды на атомы, получить гремучий газ, взорвать его и иметь в конце концов ту же чашку с водой. Молекулы воды памяти не имеют. Их поведение в чашке будет определяться только температурой и давлением в комнате.

То же самое и со Вселенной. Раз мы знаем, что она в равновесии в момент времени 0,1 секунды, нам, с точки зрения термодинамики, все равно, что с ней было до этого момента. Подтверждение удивительной эффективности методов теоретической физики в космологии мы находим в многочисленных наблюдательных данных. Здесь и красное смещение далеких галактик, и изотропность реликтового фона, и распространенность легких элементов. Но чем дальше мы пытаемся заглянуть в глубины времени, тем больше подводных камней возникает на нашем пути.

Пытливому уму человека мало одной сотой секунды, когда он может разобраться достаточно аккуратно с физическими процессами, происходящими в мире после его рождения. И сегодня появляются такие теории и модели мира, по сравнению с которыми бледнеют сюжеты самых смелых фантастических романов. Естественно, что эти модели создаются не на песке. Их появление стимулировано тем обстоятельством, что стандартная модель Фридмана сталкивается с существенными трудностями при попытках экстраполяции ее на раннюю эпоху.

Один пример. Почему Вселенная на больших масштабах столь однородна и изотропна? Реликтовое излучение в любой точке неба имеет с очень высокой точностью одинаковую температуру. Но это означает, что в далеком прошлом разные точки пространства, которые не могли ничего «знать» друг о друге, имели одинаковую температуру. Почему? Эта проблема имеет название проблемы горизонта, так как точки пространства, о которых мы говорили, не могли «видеть» друг друга, не могли обменяться сигналами, одна точка по отношению к другой находилась как бы за горизонтом.