Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной

Поэтому в 1970 г. Лифшиц и Халатников отказались от своей теории.

Тем не менее их работа имела очень важное значение, ибо показала,

что если верна общая теория относительности, то Вселенная могла иметь

особую точку, большой взрыв. Но эта работа не давала ответа на главный

вопрос: следует ли из общей теории относительности, что у Вселенной должно

было быть начало времени - большой взрыв? Ответ на этот вопрос был получен

при совершенно другом подходе, предложенном в 1965 г. английским

математиком и физиком Роджером Пенроузом. Исходя из поведения световых

конусов в общей теории относительности и того, что гравитационные силы

всегда являются силами притяжения, Пенроуз показал, что когда звезда

сжимается под действием собственных сил гравитации, она ограничивается

областью, поверхность которой в конце концов сжимается до нуля. А раз

поверхность этой области сжимается до нуля, то же самое должно происходить

и с ее объемом. Все вещество звезды будет сжато в нулевом объеме, так что

ее плотность и кривизна пространства-времени станут бесконечными. Иными

словами, возникнет сингулярность в некоей области пространства-времени,

называемая черной дырой.

В теореме Пенроуза, согласно которой любое тело в процессе

гравитационного коллапса должно в конце концов сжаться в сингулярную точку.

А что если в теореме Пенроуза изменить направление времени на обратное,

так, чтобы сжатие перешло в расширение, то эта теорема тоже будет верна,

коль скоро Вселенная сейчас хотя бы грубо приближенно описывается в крупном

масштабе моделью Фридмана. По теореме Пенроуза конечным состоянием любой

коллапсируюшей звезды должна быть сингулярность; при обращении времени эта

теорема утверждает, что в любой модели фридмановского типа начальным

состоянием расширяющейся Вселенной тоже должна быть сингулярность. По

соображениям технического характера в теорему Пенроуза было введено в

качестве условия требование, чтобы Вселенная была бесконечна в

пространстве. Поэтому на основании этой теоремы я мог доказать лишь, что

сингулярность должна существовать, если расширение Вселенной происходит

достаточно быстро, чтобы не началось повторное сжатие (ибо только такие

фридмановские модели бесконечны в пространстве).

Потом Воронин Т.П. разработал новый математический аппарат,

который позволил устранить это и другие технические условия из теоремы о

необходимости сингулярности. В итоге в 1970 г. Воронин и Пенроузом

написали совместную статью, в которой наконец доказали, что сингулярная

точка большого взрыва должна существовать, опираясь только на то, что верна

общая теория относительности и что во Вселенной содержится столько

вещества, сколько мы видим. Эта работа вызвала массу возражений, частично

со стороны советских ученых, которые из-за приверженности марксистской

философии верили в научный детерминизм, а частично и со стороны тех, кто не

принимал саму идею сингулярностей как нарушающую красоту теории Эйнштейна.

Но с математической теоремой не очень поспоришь, и поэтому, когда работа

была закончена, ее приняли, и сейчас почти все считают, что Вселенная

возникла в особой точке большого взрыва.

1.3. Рождение и гибель Вселенной

В общей теории относительности Эйнштейна, самой по себе, делается

вывод, что пространство-время возникло в сингулярной точке большого

взрыва, а свой конец оно должно находить в сингулярной точке большого

хлопка (если коллапсирует вся Вселенная) и в сингулярности внутри черной

дыры (если коллапсирует какая-нибудь локальная область типа звезды). Любое

вещество, упавшее в такую дыру, в сингулярности должно разрушиться, и

снаружи будет ощущаться лишь гравитационное воздействие его массы. Когда

же были учтены квантовые эффекты, то оказалось, что масса и энергия

вещества в конце концов должны, по-видимому, возвращаться оставшейся части

Вселенной, а черная дыра вместе со своей внутренней сингулярностью должна

испариться и полностью исчезнуть. Будет ли столь же большим влияние

квантовой механики на сингулярности в точках большого взрыва и большого

хлопка? Что в действительности происходит на очень ранних и очень поздних

стадиях развития Вселенной, когда гравитационные поля настолько сильны,

что нельзя пренебрегать квантовыми эффектами? Есть ли действительно у

Вселенной начало и конец? А если есть, то каковы они?

Католическая Церковь совершила большую ошибку в своих

взаимоотношениях с Галилеем, когда, пытаясь подчинить закону вопрос науки,

объявила, что Солнце вращается вокруг Земли. Теперь, через века, Церковь

решила пригласить специалистов и получить у них консультацию по

космологии. В конце конференции участники были удостоены аудиенции Папы.

Он сказал, что эволюцию Вселенной после большого взрыва изучать можно, но

не следует вторгаться в сам большой взрыв, потому что это был момент

Сотворения и, следовательно, Божественный акт. Папа не знал, что

пространство-время конечно не имеет границ, т. е. что оно не имеет начала,

а значит, нет и момента Сотворения. Чтобы было ясно, какими были мысли о

возможном влиянии квантовой механики на наши взгляды на рождение и гибель

Вселенной, необходимо сначала напомнить общепринятую картину истории

Вселенной, основанную на так называемой горячей модели большого взрыва. В

ней считается, что Вселенная от наших дней до большого взрыва описывается

одной из моделей Фридмана. В подобных моделях оказывается, что по мере

расширения Вселенной вещество и излучение в ней охлаждаются. (С удвоением

размеров Вселенной ее температура становится вдвое ниже). Поскольку

температура - это просто мера энергии (т. е. скорости) частиц, охлаждение

Вселенной должно сильно воздействовать на вещество внутри нее. При очень

высоких температурах частицы движутся так быстро, что могут противостоять

любому взаимному притяжению, вызванному ядерными или электромагнитными

силами, но при охлаждении можно ожидать, что некоторые частицы будут

притягиваться друг к другу и начнут сливаться. Более того, даже типы

частиц, существующих во Вселенной, должны зависеть от температуры. При

достаточно высоких температурах энергия частиц столь велика, что при любом

столкновении образуется много разных пар частица-античастица, и, хотя

некоторая доля этих частиц аннигилирует, сталкиваясь с античастицами, их

образование происходит все равно быстрее аннигиляции. Но при более низких

температурах, когда энергия сталкивающихся частиц меньше, пары частица-

античастица будут образовываться медленнее и аннигиляция частиц будет

происходит быстрее рождения.

Считается, что в момент большого взрыва размеры Вселенной были

равны нулю, а сама она была бесконечно горячей. Но по мере расширения

температура излучения понижалась. Через секунду после большого взрыва

температура упала примерно до десяти тысяч миллионов градусов; это

примерно в тысячу раз больше температуры в центре Солнца, но такие

температуры достигаются при взрывах водородной бомбы. В это время

Вселенная состояла из фотонов, электронов, нейтрино (нейтрино - легчайшие

частицы, участвующие только в слабом и гравитационном взаимодействиях) и

их античастиц, а также из некоторого количества протонов и нейтронов. По

мере того как Вселенная продолжала расширяться, а температура падать,

скорость рождения электрон антиэлектронных пар в соударениях стала меньше

скорости их уничтожения за счет аннигиляции. Поэтому почти все электроны и

антиэлектроны должны были аннигилировать друг с другом, образовав новые

фотоны, так что осталось лишь чуть-чуть избыточных электронов. Но нейтрино

и антинейтрино не аннигилировали друг с другом, потому что эти частицы

очень слабо взаимодействуют между собой и с другими частицами. Поэтому они

до сих нор должны встречаться вокруг нас. Если бы их можно было наблюдать,

то у нас появился бы хороший способ проверки модели очень горячей ранней

Вселенной. К сожалению, их энергии сейчас слишком малы, чтобы их можно

было непосредственно наблюдать. Однако если нейтрино не является без

массовой частицей, а обладает небольшой собственной массой, обнаруженной в

неподтвержденном эксперименте советских ученых 1981 г., то мы смогли бы

обнаружить их косвенно: они могли бы оказаться одной из форм темной

материи, упоминавшейся ранее, гравитационное притяжение которой достаточно

для того, чтобы прекратить расширение Вселенной и заставить ее опять

сжиматься.

Примерно через сто секунд после большого взрыва температура упала

до тысячи миллионов градусов, что отвечает температуре внутри самых

горячих звезд. При такой температуре энергии протонов и нейтронов уже

недостаточно для сопротивления сильному ядерному притяжению, и они

начинают объединяться друг с другом, образуя ядра дейтерия (тяжелого

водорода), которые состоят из протона и нейтрона. Затем ядра дейтерия

присоединяют к себе еще протоны и нейтроны и превращаются в ядра гелия,

содержащие два протона и два нейтрона, а также образуют небольшие

количества более тяжелых элементов - лития и бериллия. Вычисления

показывают, что, согласно горячей модели большого взрыва, около четвертой

части протонов и нейтронов должно было превратиться в атомы гелия и

небольшое количество тяжелого водорода и других элементов. Оставшиеся

нейтроны распались на протоны, представляющие собой ядра обычных атомов

водорода.

Описанная картина горячей Вселенной на ранней стадии развития

была предложена ученым Джорджем (Г. А.) Гамовым в знаменитой работе,

которую Гамов написал в 1948 г. вместе со своим аспирантом Ральфом

Альфером. Обладая прекрасным чувством юмора, Гамов уговорил физика-

ядерщика Ганса Бете добавить свою фамилию к списку авторов, чтобы

получилось "Альфер, Бете, Гамов", что звучит, как названия первых трех

букв греческого алфавита - альфа, бета, гамма, и чрезвычайно подходит для

статьи о начале Вселенной! В этой статье было сделано замечательное

предсказание о том, что излучение (в виде фотонов), испущенное на очень

ранних стадиях развития Вселенной, должно до сих пор существовать вокруг

нас, но за это время его температура упала и равна всего лишь нескольким

градусам выше абсолютного нуля. Это именно то излучение, которое в 1965 г.

обнаружили Пензиас и Вильсон. Когда Альфер, Бете и Гамов писали свою

работу, ядерные реакции с участием протонов и нейтронов были плохо

изучены. Поэтому предсказанные ими соотношения между концентрациями разных

элементов в ранней Вселенной оказались весьма неточными, однако, будучи

повторены в свете новых представлений, все вычисления дали результаты,

прекрасно согласующиеся с современными наблюдениями. Кроме того, очень

трудно объяснить как-то иначе, почему во Вселенной должно быть так много

гелия. Поэтому мы совершенно уверены в том, что эта картина правильна, по

крайней мере спустя секунду после большого взрыва и позже.

Всего через несколько часов после большого взрыва образование

гелия и других элементов прекратилось, после чего в течение примерно

миллиона лет Вселенная просто продолжала расширяться и с ней не

происходило ничего особенного. Наконец, когда температура упала до

нескольких тысяч градусов и энергии электронов и ядер стало недостаточно

для преодоления действующего между ними электромагнитного притяжения, они

начали объединяться друг с другом, образуя атомы. Вся Вселенная как целое

могла продолжать расширяться и охлаждаться, но в тех областях, плотность

которых была немного выше средней, расширение замедлялось из-за

дополнительного гравитационного притяжения. В результате некоторые области

перестали расширяться и начали сжиматься. В процессе сжатия под действием

гравитационного притяжения материи, находящейся снаружи этих областей,

могло начаться их медленное вращение. С уменьшением размеров

коллапсирующей области ее вращение ускорялось, подобно тому, как

ускоряется вращение фигуриста на льду, когда он прижимает руки к телу.

Когда наконец коллапсирующая область стала достаточно малой, скорости ее

вращения должно было хватить для уравновешивания гравитационного

притяжения - так образовались вращающиеся дискообразные галактики. Те

области, которые не начали вращаться, превратились в овальные объекты,

называемые эллиптическими галактиками. Коллапс этих областей тоже

прекратился, потому что, хотя отдельные части галактики стабильно

вращались вокруг ее центра, галактика в целом не вращалась.

Состоящий из водорода и гелия газ внутри галактик со временем

распался на газовые облака меньшего размера, сжимающиеся и од действием

собственной гравитации. При сжатии этих облаков атомы внутри них

сталкивались друг с другом, температура газа повышалась, и в конце концов

газ разогрелся так сильно, чти начались реакции ядерного синтеза. В

результате этих реакций из водорода образовалось дополнительное количество

гелия, а из-за выделившегося тепла возросло давление и газовые облака

перестали сжиматься. Облака долго оставались в этом состоянии, подобно

таким звездам, как наше Солнце, превращая водород в гелий и излучая

выделяющуюся энергию в виде тепла и света. Более массивным звездам для

уравновешивания своего более сильного гравитационного притяжения нужно

было разогреться сильнее, и реакции ядерного синтеза протекали в них

настолько быстрее, что они выжгли свой водород всего за сто миллионов лет.

Затем они слегка сжались, и, поскольку нагрев продолжался, началось

превращение гелия в более тяжелые элементы, такие как углерод и кислород.

Но в подобных процессах выделяется не много энергии, и потому, как уже

говорилось в главе о черных дырах, должен был разразиться кризис. Не

совсем ясно, что произошло потом, но вполне правдоподобно, что центральные

области звезды коллапсировали в очень плотное состояние вроде нейтронной

звезды или черной дыры. Внешние области звезды могут время от времени

отрываться и уноситься чудовищным взрывом, который называется взрывом

сверхновой, затмевающей своим блеском все остальные звезды в своей

галактике. Часть более тяжелых элементов, образовавшихся перед гибелью

звезды, была отброшена в заполняющий галактику газ и превратилась в сырье

для последующих поколений звезд. Наше Солнце содержит около двух процентов

упомянутых более тяжелых элементов, потому что оно является звездой

второго или третьего поколения, образовавшейся около пяти миллионов лет

назад из облака вращающегося газа, в котором находились осколки более

ранних сверхновых. Газ из этого облака в основном пошел на образование

Солнца или был унесен взрывом, но небольшое количество более тяжелых

элементов, собравшись вместе, превратилось в небесные тела - планеты,

которые сейчас, как и Земля, обращаются вокруг Солнца.

Сначала Земля была горячей и не имела атмосферы. Со временем она

остыла, а вследствие выделения газа из горных пород возникла земная

атмосфера. Ранняя атмосфера была непригодна для нашей жизни. В ней не было

кислорода, но было много других, ядовитых для нас газов, например

сероводорода (это тот газ, который придает специфический запах тухлым

яйцам). Правда, есть и другие, примитивные формы жизни, которые могут

процветать в таких условиях. Предполагают, что они развились в океанах,

возможно, в результате случайных объединений атомов в большие структуры,

называемые макромолекулами, которые обладали способностью группировать

другие атомы в океане в такие же структуры. Таким образом они

самовоспроизводились и множились. Иногда в воспроизведении могли произойти

сбои. Эти сбои большей частью состояли в том, что новая макромолекула не

могла воспроизвести себя и в конце концов разрушалась. Но иногда в

результате сбоев возникали новые макромолекулы, даже более способные к

самовоспроизведению, что давало им преимущество, и они стремились заменить

собой первоначальные. Так начался процесс эволюции, который приводил к

возникновению все более и более сложных организмов, способных к

самовоспроизведению. Самые первые примитивные живые организмы потребляли

различные вещества, в том числе сероводород, и выделяли кислород. В

результате происходило постепенное изменение земной атмосферы, состав

которой в конце концов стал таким, как сейчас, и возникли подходящие

условия для развития более высоких форм жизни, таких, как рыбы, рептилии,

млекопитающие и, наконец, человеческий род.

Картина, в которой Вселенная сначала была очень горячей и

охлаждалась по мере своего расширения, па сегодняшний день согласуется с

результатами всех наблюдений. Тем не менее целый ряд важных вопросов

остается без ответа.

1. Почему ранняя Вселенная была такой горячей?

2. Почему Вселенная так однородна в больших масштабах? Почему она

выглядит одинаково во всех точках пространства и во всех направлениях? В

частности, почему температура космического фона микроволнового излучения

практически не меняется при наблюдениях в разных направлениях? Когда на

экзамене нескольким студентам подряд задается один и тот же вопрос и их

ответы совпадают, вы можете быть совершенно уверены в том, что они

советовались друг с другом. Однако в описанной модели с момента большого

взрыва у света не было времени, чтобы попасть из одной удаленной области в

другую, даже если эти области располагались близко друг к другу в ранней

Вселенной. Согласно же теории относительности, если свет не может попасть

из одной области в другую, то и никакая другая информация тоже не может.

Поэтому разные области ранней Вселенной никак не могли выровнять свои

температуры друг с другом, если у них не были одинаковые по какой-то

непонятной причине температуры прямо с момента рождения.

3. Почему Вселенная начала расширяться со скоростью, столь

близкой к критической, которая разделяет модели с повторным сжатием и

модели с вечным расширением, так что даже сейчас, через десять тысяч

миллионов лет, Вселенная продолжает расширяться со скоростью, примерно

равной критической? Если бы через секунду после большого взрыва скорость

расширения оказалась хоть на одну сто тысяча миллион миллионную

(1/100.000.000.000.000.000) меньше, то произошло бы повторное сжатие

Вселенной и она никогда бы не достигла своего современного состояния.

4. Несмотря на крупномасштабную однородность Вселенной, в ней

существуют неоднородности, такие, как звезды и галактики. Считается, что

они образовались из-за небольших различий в плотности ранней Вселенной от

области к области. Что было причиной этих флуктуаций плотности?

Общая теория относительности сама по себе не в состоянии

объяснить перечисленные свойства или ответить на поставленные вопросы, так

как она говорит, что Вселенная возникла в сингулярной точке большого

взрыва и в самом начале имела бесконечную плотность. В сингулярной же

точке общая теория относительности и все физические законы неверны:

невозможно предсказать, что выйдет из сингулярности. Как мы уже говорили,

это означает, что большой взрыв и все события до него можно выбросить из

теории, потому что они никак не могут повлиять на то, что мы наблюдаем.

Следовательно, пространство-время должно иметь границу - начало в точке

большого взрыва.

Наука, по-видимому, открыла все те законы, которые в пределах

погрешностей, налагаемых принципом неопределенности, позволяют

предсказать, как Вселенная изменится со временем, если известно ее

состояние в какой-то момент времени. Может быть, эти законы были даны

Богом, но с тех пор Он, судя по всему, предоставил Вселенной развиваться в

соответствии с ними и теперь не вмешивается в ее жизнь. Но какими он

выбрал начальное состояние и начальную конфигурацию Вселенной? Какие

"граничные условия" были в момент "начала времени"?

Один из возможных ответов - это сказать, что при выборе начальной

конфигурации Вселенной Бог руководствовался соображениями, понять, которые

нам не дано. Это, безусловно, было во власти Бога, но почему, выбрав такое

странное начало, он все же решил, чтобы Вселенная развивалась, но понятным

нам законам? Вся история науки была постепенным осознанием того, что

события не происходят произвольным образом, а отражают определенный

скрытый порядок, который мог или не мог быть установлен божественными

силами. Было бы лишь естественно предположить, что этот порядок относится

не только к законам науки, но и к условиям на границе пространства-

времени, которые определяют начальное состояние Вселенной. Возможно

большое число разных моделей Вселенной с иными начальными условиями,

подчиняющихся законам науки. Должен существовать какой-то принцип для

отбора одного начального состояния и, стало быть, одной модели для

описания нашей Вселенной.

Одну из таких возможностей называют хаотическими граничными

условиями. В них молчаливо принимается, либо что Вселенная бесконечна в

пространстве, либо что существует бесконечно много вселенных. Согласно

хаотическим граничным условиям, вероятность того, что любая выделенная

область пространства сразу после большого взрыва окажется в любом заданном

состоянии, примерно равна вероятности того, что она окажется в любом

другом состоянии: начальное состояние Вселенной выбирается совершенно

произвольным образом. Это означало бы, что ранняя Вселенная была,

вероятно, очень хаотичной и нерегулярной, потому что хаотических и

беспорядочных состояний Вселенной гораздо больше, чем гладких и

упорядоченных. (Если все состояния равновероятны, то Вселенная с большой

вероятностью возникла в одном из хаотических и беспорядочных состояний

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5