Как образовалась Вселенная
Что же такое Вселенная? Если емко, то это сумма всего существующего. Это все время, пространство, материя и энергия, образовавшиеся и расширяющиеся вот уже 13.8 миллиардов лет. Никто не может точно сказать, насколько обширны просторы нашего мира и пока нет точных предсказаний финала.
Определение Вселенной
Само слово «Вселенная» происходит от латинского «universum». Впервые его использовал Цицерон, а уже после него оно стало общепринятым у римских авторов. Понятие обозначало мир и космос. На тот момент люди в этих словах видели Землю, все известные живые существа, Луну, Солнце, планеты (Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн) и звезды.
Иногда вместо «Вселенная» используют «космос», которое с греческого переводится как «мир». Кроме того, среди терминов фигурировали «природа» и «все».
В современном понятии вмещают все, что существует во Вселенной – наша система, Млечный Путь и прочие структуры. Также сюда входят все виды энергии, пространство-время и физические законы.
Одним из основных вопросов, которые не выходят из сознания человека, всегда был и является вопрос: «как появилась Вселенная?». Конечно же, однозначного ответа на данный вопрос нет, и вряд ли будет получен в скором времени, однако наука работает в этом направлении и формирует некую теоретическую модель зарождения нашей Вселенной.
Теории происхождения Вселенной
Креационизм: все создал Господь Бог
Среди всех теорий о происхождении Вселенной эта появилась самой первой. Очень хорошая и удобная версия, которая, пожалуй, будет иметь актуальность всегда. Кстати, многие ученые физики, несмотря на то что наука и религия часто представляются понятиями противоположными, верили в Бога.
Например, Альберт Эйнштейн говорил:
«Каждый серьезный естествоиспытатель должен быть каким-то образом человеком религиозным. Иначе он не способен себе представить, что те невероятно тонкие взаимозависимости, которые он наблюдает, выдуманы не им.»
Теория Большого Взрыва (модель горячей Вселенной)
Пожалуй, самая распространенная и наиболее признанная модель происхождения нашей Вселенной. Отвечает на вопрос — каким образом образовались химические элементы и почему распространённость их именно такая, какая сейчас наблюдается.
Согласно этой теории, около 14 миллиардов назад, пространства и времени не было, а вся масса вселенной была сосредоточена в крохотной точке с невероятной плотностью – в сингулярности. Однажды из-за возникшей в ней неоднородности, произошел так называемый Большой Взрыв. И с тех пор Вселенная постоянно расширяется и остывает.
Теория Большого взрыв
Первые 10 -43 секунды после Большого Взрыва называют этапом квантового хаоса. Природа мироздания на этом этапе существования не поддается описанию в рамках известной нам физики. Происходит распад непрерывного единого пространства-времени на кванты.
Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделения. Вещество начинает доминировать над излучением, возникает реликтовый фон.
Теория Большого Взрыва тверже встала на ноги после открытия космологического красного смещения и реликтового излучения. Два этих явления — самые весомые доводы в пользу правильности теории.
Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего начали образовываться галактики и сверхгалактики. Законны Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.
Модель расширяющейся Вселенной
Сейчас доподлинно известно, что Галактики и иные космические объекты удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется.
Модель расширяющейся Вселенной описывает сам факт расширения. В общем случае не рассматривается, когда и почему Вселенная начала расширяться. В основе большинства моделей лежит общая теория относительности и её геометрический взгляд на природу гравитации.
Красное смещение – это наблюдаемое для далеких источников понижение частот излучения, которое объясняется отдалением источников (галактик, квазаров) друг от друга. Данный факт свидетельствует о том, что Вселенная расширяется.
Реликтовое излучение – это как бы отголоски большого взрыва. Ранее Вселенная представляла собой горячую плазму, которая постепенно остывала. Еще с тех далеких времен во Вселенной остались так называемые блуждающие фотоны, которые образуют фоновое космическое излучение. Ранее при более высоких температурах Вселенной данное излучение было гораздо мощнее. Сейчас же его спектр соответствует спектру излучения абсолютно твердого тела с температурой всего 2,7 Кельвин.
Теория эволюции крупномасштабных структур
Как показывают данные по реликтовому фону, в момент отделения излучения от вещества Вселенная была фактически однородна, флуктуации вещества были крайне малыми, и это представляет собой значительную проблему.
Вторая проблема — ячеистая структура сверхскоплений галактик и одновременно сфероподобная — у скоплений меньших размеров. Любая теория, пытающаяся объяснить происхождение крупномасштабной структуры Вселенной, в обязательном порядке должна решить эти две проблемы.
Современная теория формирования крупномасштабной структуры, как впрочем и отдельных галактик, носит названия «иерархическая теория».
Суть — вначале галактики были небольшие по размеру (примерно как Магеллановы облака ), но со временем они сливаются, образуя всё большие галактики.
В последнее время верность теории поставлена под вопрос.
Теория струн
Эта гипотеза в некоторой степени опровергает Большой взрыв в качестве начального момента возникновения элементов открытого космоса.
Согласно теории струн, Вселенная существовала всегда. Гипотеза описывает взаимодействие и структуру материи, где существует определенный набор частиц, которые делятся на кварки, бозоны и лептоны. Говоря простым языком, эти элементы являются основой мироздания, поскольку их размер настолько мал, что деление на другие составляющие стало невозможным.
Отличительной чертой теории о том, как образовалась Вселенная, становится утверждение о вышеупомянутых частицах, которые представляют собой ультрамикроскопические струны, которые постоянно колеблются. Поодиночке они не имеют материальной формы, являясь энергией, которая в совокупности создает все физические элементы космоса.
Примером в данной ситуации послужит огонь: глядя на него, он кажется материей, однако он неосязаем.
Хаотическая теория инфляции — теория Андрея Линде
Согласно данной теории существует некоторое скалярное поле, которое неоднородно во всем своем объеме. То есть в различных областях вселенной скалярное поле имеет разное значение. Тогда в областях, где поле слабое – ничего не происходит, в то время как области с сильных полем начинают расширяться (инфляция) за счет его энергии, образуя при этом новые вселенные.
Такой сценарий подразумевает существование множества миров, возникших неодновременно и имеющих свой набор элементарных частиц, а, следовательно, и законов природы.
Теория Ли Смолина
Эта теория достаточно известна и предполагает, что Большой Взрыв не является началом существования Вселенной, а – лишь фазовым переходом между двумя ее состояниями. Так как до Большого Взрыва Вселенная существовала в форме космологической сингулярности, близкой по своей природе к сингулярности черной дыры, Смолин предполагает, что Вселенная могла возникнуть из черной дыры.
Эволюция Вселенной
Как происходил процесс развития и эволюции Вселенной? В течение следующих миллиардов лет гравитация заставила более плотные области притягиваться. В этом процессе формировались газовые облака, звезды, галактические структуры и прочие небесные объекты.
Этот период именуют Структурной Эпохой, так как именно в этот временной отрезок зарождалась современная Вселенная. Видимое вещество распределялось на различные формирования (звезды в галактики, а те в скопления и сверхскопления).
Что было до появления Вселенной
Сложно представить время за 13,7 миллиардов лет до сегодняшнего дня, когда вся Вселенная представляла собой сингулярность. Согласно теории Большого взрыва, один из главных претендентов на роль объяснения того, откуда появилась Вселенная и вся материя в космосе — все было сжато в точку, меньшую, чем субатомная частица. Но если это еще можно принять, задумайтесь вот о чем: что же было до того, как случился Большой взрыв?
Этот вопрос современной космологии уходит корнями еще в четвертое столетие нашей эры. 1600 лет назад теолог Августин Блаженный как и один из лучших физиков 20 века Альберт Эйнштейн пытались понять природу до сотворения Вселенной. Они пришли к выводу , что просто не было никакого «до».
В настоящее время человеком выдвигаются различные теории.
Теория Мультивселенной
Что если наша Вселенная является потомком другой, старшей Вселенной? Некоторые астрофизики полагают, что пролить свет на эту историю поможет реликтовое излучение, оставшееся от большого взрыва.
Согласно этой теории, в первые мгновения своего существования Вселенная начала чрезвычайно быстро расширяться. Также теория объясняет температуру и плотность флуктуаций реликтового излучения и подсказывает, что эти флуктуации должны быть одинаковыми.
Но, как выяснилось, нет. Последние исследования дали понять, что Вселенная на самом деле однобока, и в некоторых областях флуктуаций больше, чем в других. Некоторые космологи считают, что это наблюдение подтверждает, что у нашей Вселенной была «мать»(!)
В теории хаотической инфляции эта идея приобретает размах: бесконечный прогресс инфляционных пузырьков порождает обилие вселенных, и каждая из них порождает еще больше инфляционных пузырьков в огромном количестве Мультивселенных.
Теория белых и черных дыр
Тем не менее, существуют модели, которыми пытаются объяснить образование сингулярности до большого взрыва. Если вы думаете о черных дырах как о гигантских мусоросборниках, они являются главными кандидатами первоначального сжатия, поэтому наша расширяющаяся Вселенная вполне может быть белой дырой — выходным отверстием черной дыры, и каждая черная дыра в нашей Вселенной может вмещать в себя отдельную вселенную.
Большой скачок
Другие ученые считают, что в основе формирования сингулярности лежит цикл под названием «большой скачок», в результате которого расширяющаяся вселенная в итоге коллапсирует сама в себя, порождая другую сингулярность, которая, опять же, порождает другой большой взрыв.
Этот процесс будет вечным, и все сингулярности и все схлопывания не будут представлять собой ничего другого, кроме как переход в другую фазу существования Вселенной.
Теория циклической Вселенной
Последнее объяснение, которое мы рассмотрим, использует идею циклической Вселенной, порожденной теорией струн. Она предполагает, что новая материя и потоки энергии появляются каждые триллионы лет, когда две мембраны или браны, лежащие за пределами наших измерений, сталкиваются между собой.
Что было до Большого взрыва? Вопрос остается открытым. Может быть, ничего. Может, другая Вселенная или другая версия нашей. Может, океан Вселенных, в каждой из которых — свой набор законов и констант, диктующих природу физической реальности.
Проблемы современных моделей рождения и эволюции Вселенной
Многие теории, касающиеся Вселенной в последнее время сталкиваются с проблемами, как теоретического, так и, что более важно, наблюдательного характера:
- Вопрос о форме Вселенной является важным открытым вопросом космологии. Говоря математическим языком, перед нами стоит проблема поиска трёхмерного пространственного сечения Вселенной, то есть такой фигуры, которая наилучшим образом представляет пространственный аспект Вселенной.
- Неизвестно, является ли Вселенная глобально пространственно плоской, то есть применимы ли законы Евклидовой геометрии на самых больших масштабах.
- Также неизвестно, является ли Вселенная односвязной или многосвязной. Согласно стандартной модели расширения, Вселенная не имеет пространственных границ, но может быть пространственно конечна.
- Существуют предположения, что Вселенная изначально родилась вращающейся. Классическим представлением о зарождении является идея об изотропности Большого взрыва, то есть о распространении энергии одинаково во все стороны. Однако появилась и получила некоторое подтверждение конкурирующая гипотеза о наличии изначального момента вращения Вселенной.
Видео
Источник
Каковы истоки происхождения вселенной
Космологи продолжают продвигаться к окончательному постижению процессов, сотворивших и сформировавших Вселенную.
Вселенная настолько велика в пространстве и во времени, что в течение почти всей истории человечества она оставалась недоступной как для наших приборов, так и для нашего разума. Но все изменилось в XX в., когда появились новые идеи — от общей теории относительности Эйнштейна до современных теорий элементарных частиц. Успех был достигнут также благодаря мощным приборам — от 100- и 200-дюймовых рефлекторов, созданных Джорджем Эллери Хейлом (George Ellery Hale) и открыв- шем для нас галактики за пределами Млечного Пути, до космическо- го телескопа «Хаббл», перенесшего нас в эпоху рождения галактик. За последние 20 лет прогресс ускорился. Стало ясно, что темная материя состоит не из обычных атомов, что существует темная энергия. Роди- лись смелые идеи о космической инфляции и множественности все- ленных.
Сто лет назад Вселенная была проще: вечная и неизменная, состоящая из одной галактики, содер- жащей несколько миллионов видимых звезд. Современная картина намного сложнее и гораздо богаче. Космос возник 13,7 млрд лет назад в результате Большого взрыва. Через долю секунды после начала Вселенная была горячей бесформенной смесью элементарных частиц — кварков и лептонов. По мере расширения и охлаждения шаг за ша- гом возникали структуры: нейтроны и протоны, атомные ядра, атомы, звезды, галактики, скопления галактик и, наконец, сверхскопления. В наблюдаемой части Вселенной сейчас содержится 100 млрд галактик, в каждой из них около 100 млрд звезд и, вероятно, столько же планет. Сами галактики удерживаются от расширения гравита- цией загадочной темной материи. А Вселенная продолжает расширяться и даже делает это с ускоре- нием под действием темной энергии — еще более загадочной формы энергии, чья гравитационная сила не притягивает, а отталкивает.
Главная тема нашего рассказа о Вселенной — это эволюция от примитивного кваркового «супа» к нарастающей сложности галактик, звезд, планет и жизни, наблюдаемой сегодня. Эти структуры появлялись одна за другой в течение миллиардов лет, повинуясь основным законам физики. Путешествуя в прошлое, к эпохе зарождения, космологи сначала продвигаются через детально изученную историю Вселенной назад, к первой микросекунде, затем к $10^<–34>$ с от начала (об этом времени есть ясные идеи, но пока нет их четкого подтверждения) и, наконец, к самому моменту рождения (о котором существуют пока лишь догадки). Хотя мы еще не в силах до конца понять, как родилась Вселенная, у нас уже есть потрясающие гипотезы, такие как понятие о множественной вселенной, включающей в себя бесконечное число не связанных между собой субвселенных.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
- Наша Вселенная началась с горячего Большого взрыва 13,7 млрд лет назад и с тех пор расширяется и охлаждается. Она эволюционировала от бесформенной смеси элементар- ных частиц к современному высокоструктурированному космосу.
- Первая микросекунда была определяющим периодом, когда вещество стало доми- нировать над антивеществом, зародилась структура будущих галактик и их скоплений, и возникла темная материя — неизвестное вещество, удерживающее эту структуру.
- Будущее Вселенной определяется темной энергией — неизвестной формой энергии, ко- торая служит причиной ускорения космологического расширения, начавшегося несколько миллиардов лет назад.
Расширяющаяся Вселенная
В 1924 г. с помощью 100-дюймового телескопа «Хукер» Маунт-Вилсоновской обсерватории Эдвин Хаббл обнаружил, что расплывчатые туман- ности, остававшиеся загадочными несколько столетий, — это такие же галактики, как наша. Тем самым Хаббл увеличил наше представ- ление о Вселенной в 100 млрд раз! А через несколько лет он доказал, что галактики удаляются друг от друга, подчиняясь математической закономерности, известной теперь как закон Хаббла: чем дальше галактика, тем быстрее она движется. Именно из этого закона следует, что Большой взрыв был 13,7 млрд лет назад.
КОСМИЧЕСКОЕ РАСШИРЕНИЕ
Эволюция Вселенной происходит в резуль- тате расширения пространства. Поскольку пространство растягивается, как оболочка воздушного шарика, галактики удаляют- ся друг от друга, а световые волны удлиняются (краснеют).
В рамках общей теории относительности закон Хаббла толкуется так: само пространство расширяется, а галактики перемещаются вместе с ним (рис. вверху). Свет тоже растягивается, испытывая красное смещение, а значит, теряя энергию, поэтому Вселенная при расширении охлаждается. Космическое расширение помогает по- нять, как сформировалась современная Вселенная. Если мысленно устремиться в прошлое, то Вселенная будет становиться все плотнее, горячее, необычнее и проще. Приближаясь к самому началу, мы соприкасаемся с самыми глубинными механизмами природы, используя ускоритель мощнее любого из построенных на Земле — сам Большой взрыв.
Вглядываясь через телескоп в пространство, астрономы буквально попадают в прошлое — и чем больше телескоп, тем глубже проникает их взгляд. Свет, приходящий от далеких галактик, демонстрирует нам древние эпохи, а его крас- ное смещение показывает, насколько расширилась Вселенная за про- шедшее время. Наблюдаемое сейчас рекордное красное смещение около восьми, значит, этот свет был испущен, когда размер Вселенной был в девять раз меньше нынешнего, а возраст — всего лишь несколько сотен миллионов лет. Такие приборы, как космический телескоп «Хаббл» и десятиметровые телескопы «Кек» на Мауна-Кеа, запросто переносят нас в эпоху формирования галактик, подобных нашей — через несколько миллиардов лет после Большого взрыва. Свет из более ранних эпох настолько сильно смещен в красную часть спектра, что астрономы вынуждены принимать его в инфракрасном и радиодиапазонах. Строящиеся телескопы, такие как инфракрасный космический телескоп «Джеймс Уэбб» диаметром 6,5 м и Большой атакамский миллиметровый комплекс (Atacama Large Millimeter Array, ALMA) — сеть из 64 радиотелескопов на севере Чили, — перенесут нас в прошлое, к эпохе рождения самых первых звезд и галактик.
Компьютерное моделирование показывает, что эти звезды и галак- тики появились, когда возраст Вселенной был около 100 млн лет. Перед этим Вселенная прошла через период, называемый темной эрой, когда она была черной как смоль. Пространство заполняла бесформенная масса из пяти частей темной материи и одной части водорода с гелием, которая разрежалась по мере расширения Вселенной. Вещество было немного неоднородным по плотности, а гравитация действовала как усилитель этих неоднородностей: более плотные области расширялись медленнее, чем менее плотные. К моменту 100 млн лет наиболее плотные области не только замедлили свое расширение, но даже начали сжиматься. Каждая из таких зон содержала около 1 млн солнечных масс вещества; они-то и стали первыми гравитационно связанными объектами в космосе.
Основную часть их массы составляла темная материя, не способная, согласно своему названию, излучать или поглощать свет. Поэтому она образовывала весьма протяженные облака. С другой стороны, водород и гелий, излучая свет, теряли энергию и сжимались к центру каждого облака. В конце концов они съеживались настолько, что превращались в звезды. Эти первые объекты были значительно массивнее современных — сотни масс Солнца. Прожив очень короткую жизнь, они взрывались, выбрасывая в прост-ранство первые тяжелые элементы. Спустя несколько миллиардов лет эти облака с массами в миллионы солнечных под действием гравитации сгруппировались в первые галактики.
Излучение от самых первых водородных облаков, испытавшее сильное красное смещение из-за расширения, можно было бы зарегистрировать с помощью огромных комплексов радиоантенн с общей приемной площадью около квадратного километра. Когда эти радиотелескопы будут созданы, станет известно, как первое поколение звезд и галактик ионизовало водород и тем самым завершило темную эру (см.: Лоеб А. Темные века Вселенной // ВМН, № 3, 2007).
Слабый отблеск горячего начала
Позади темной эры заметен отблеск горячего Большого взрыва при крас- ном смещении 1100. Это изначально видимое (красно-оранжевое) излуче- ние из-за красного смещения стало даже не инфракрасным, а микровол- новым. Заглядывая в ту эпоху, мы ви- дим лишь стену микроволнового из- лучения, заполняющего все небо — космическое микроволновое фоно- вое излучение, открытое в 1964 г. Арно Пензиасом (Arno Penzias) и Ро- бертом Уилсоном (Robert Wilson). Это слабый отсвет Вселенной, пре- бывавшей в младенческом возрас- те 380 тыс. лет, в эпоху формирова- ния атомов. До этого она была почти однородной смесью атомных ядер, электронов и фотонов. Когда Вселен- ная охладилась до температуры око- ло 3000 К, ядра и электроны начали объединяться в атомы. Фотоны пе- рестали рассеиваться на электронах и стали свободно двигаться сквозь пространство, демонстрируя, какой была Вселенная задолго до рождения звезд и галактик.
В 1992 г. спутник NASA «Исследователь фонового излучения» (Cosmic Background Explorer, COBE) обнаружил, что интенсивность этого излучения немного меняется — пример но на 0,001%, указывая на слабую неоднородность в распределении вещества. Степень первичной неоднородности оказалась достаточной, чтобы малые уплотнения стали «затравкой» для будущих галактик и их скоплений, которые позже выросли под действием гравитации. Распределение неоднородностей фонового излучения по небу свидетельствует о важных свойствах Вселенной: о ее средней плотности и составе, о самых ранних этапах ее эволюции. Тщательное изучение этих неоднородностей поведало нам многое о Вселенной.
КОСМИЧЕСКОЕ МИКРОВОЛНОВОЕ ФОНОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — это изображение Вселенной в младенческом возрасте 380 тыс. лет. Слабые вариации интенсивности этого излучения (отмечены цветом) служат космическим Розеттским камнем, дающим ключ к загадкам Вселенной — ее возрасту, плотности, составу и геометрии.
СВЕРХГЛУБОКОЕ ПОЛЕ «ХАББЛА», самое чувствительное из когда-либо полученных изображений космоса, запечатлевшее более 1 тыс. галактик на ранней стадии их формирования.
Продвигаясь от этой точки назад, к началу эволюции Вселенной, мы увидим, как первичная плазма становится все более горячей и плотной. До возраста около 100 тыс. лет плотность энергии излучения была выше, чем у вещества, что и удерживало вещество от фрагментации. А в этот момент началось гравитационное скучивание всех структур, наблюдаемых сейчас во Вселенной. Еще ближе к началу, когда возраст Вселенной был менее одной секунды, не было атомных ядер, а только лишь их составляющие — протоны и нейтроны. Ядра возникли, когда Вселенной исполнилось несколько секунд, и температура и плотность стали подходящими для ядерных реакций. В этом нуклеосинтезе Большого взрыва родились только легкие химические элементы: много гелия (около 25% по массе от всех атомов Вселенной) и немного лития, дейтерия и гелия-3. Остальная плазма (около 75%) осталась в форме протонов, которые со временем стали атомами водорода. Все остальные элементы Периодической таблицы родились миллиарды лет спустя в недрах звезд и при их взрывах.
ВСЕЛЕННАЯ СОСТОИТ в основном из темной энергии и темной материи; природа обеих неизвестна. Обычное вещество, из которого сформированы звезды, планеты и межзвездный газ, составляет лишь малую долю.
Теория нуклеосинтеза точно предсказывает содержание элементов и изотопов, измеренное в наиболее древних объектах Вселенной — в самых старых звездах и газовых облаках с большим красным смещением. Содержание дейтерия, очень чувствительное к средней плотности атомов во Вселенной, играет особую роль: его измеренное значение показывает, что обычное вещество составляет (4,5 ± 0,1)% от полной плотности энергии. Остальное — темная материя и темная энергия. Это в точности согласуется с данными о составе, полученными из анализа фонового излучения. Такое соответствие — огромное достижение. Ведь это два совершенно разных измерения: первое основано на ядерной физике и относится к Вселенной в возрасте 1 с, а второе — на атомной физике и свойствах Вселенной в возрасте 380 тыс. лет. Их согласованность — важный тест не только для наших моделей эволюции космоса, но и для всей современной физики.
Ответы в кварковом супе
До возраста в одну микросекунду не было даже протонов и нейтронов; Вселенная была похожа на суп из базовых элементов природы: кварков, лептонов и переносчиков сил (фотонов, W- и Z-бозонов и глюонов). Мы уверены, что этот «суп с кварками» действительно существовал, поскольку физические условия той эпохи воспроизводятся сейчас в экспериментах на ускорителях частиц (см.: Райордэн М., Зэйц У. Первые микросекунды // ВМН, № 8, 2006).
Изучить ту эпоху космологи надеются не с помощью больших и зорких телескопов, а опираясь на глубокие идеи физики элементарных частиц. Создание Стандартной модели физики частиц 30 лет назад привело к смелым гипотезам, включая теорию струн, пытающуюся объединить казалось бы не связанные между собой частицы и силы. В свою очередь, эти новые идеи нашли приложение в космологии, став такими же важными, как исходная идея горячего Большого взрыва. Они указали на глубокую и неожиданную связь между микромиром и большой Вселенной. Возможно, вскоре мы получим ответы на три ключевых вопроса: какова природа темной материи, в чем причина асимметрии между веществом и антивеществом и как возник комковатый кварковый суп.
Судя по всему, темная материя родилась в эпоху первичного кваркового супа. Природа темной материи пока не ясна, но ее существование не вызывает сомнений. Наша Галактика и все другие галактики, а также их скопления удерживаются тяготением невидимой темной материи. Чем бы она ни была, она должна слабо взаимодействовать с обычным веществом, иначе она как-то проявила бы себя помимо гравитации. Попытки описать единой теорией все наблюдаемые в природе силы и частицы приводят к предсказанию стабильных или долгоживущих частиц, из которых могла бы состоять темная материя. Эти частицы могут быть реликтом эпохи кваркового супа и очень слабо взаимодействовать с атомами. Один из кандидатов — нейтралино, легчайшая из частиц недавно предсказанного класса массивных копий известных частиц. Нейтралино должно иметь массу от 100 до 1000 масс протона, т.е. оно должно рождаться в экспериментах на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе вблизи Женевы. К тому же, пытаясь поймать эти частицы из космоса (или же продукты их взаимодействия), физики создали сверхчувствительные детекторы под землей, а также запускают их на аэростатах и спутниках.
Второй кандидат — аксион, сверхлегкая частица с массой примерно в триллион раз меньше, чем у электрона. На ее существование указывают тонкие различия, предсказанные Стандартной моделью в поведении кварков. Попытки зарегистрировать аксион опираются на тот факт, что в очень сильном маг-нитном поле он может превратиться в фотон. Как нейтралино, так и аксион обладают важным свойством: физики называют эти частицы «холодными». Несмотря на то что они рождаются при очень высокой температуре, движутся они медленно и поэтому легко группируются в галактики.
Вероятно, еще один секрет кроется в эпохе первичного кваркового супа: почему сейчас Вселенная содержит только вещество и почти не содержит антивещества. Физики считают, что вначале у Вселенной их было в равном количестве, но в некоторый момент возник маленький избыток вещества — примерно один лишний кварк на каждый миллиард антикварков. Благодаря этому дисбалансу при аннигиляции кварков с антикварками в процессе расширения и охлаждения Вселенной сохранилось достаточно кварков. Более 40 лет назад эксперименты на ускорителях показали, что законы физики устроены немного в пользу вещества; именно это малое предпочтение в процессе взаимодействия частиц на очень раннем этапе привело к рождению избытка кварков.
Вероятно, сам кварковый суп возник очень рано — примерно через $10^<-34>$ с после Большого взрыва, во всплеске космического расширения, известного как инфляция. Причиной этого всплеска стала энергия нового поля, напоминающего электромагнитное поле и на-званного инфлатоном. Именно инфляция должна объяснить такие фундаментальные свойства космоса, как его общую однородность и мелкие флуктуации плотности, породившие галактики и другие структуры во Вселенной. Когда инфлатон распался, он передал свою энергию кваркам и другим частицам, создав таким образом тепло Большого взрыва и сам кварковый суп.
Теория инфляции демонстрирует глубокую связь между кварками и космосом: квантовые флуктуации инфлатона, существовавшие на субатомном уровне, выросли до астрофизических размеров благодаря быстрому расширению и стали зародышем для всех наблюдаемых сегодня структур. Иными словами, картина микроволнового фонового излучения на небе — это гигантское изображение субатомного мира. Наблюдаемые свойства этого излучения согласуются с теоретическим прогнозом, доказывая, что инфляция или нечто ей подобное действительно произошло в очень ранней истории Вселенной.
Рождение Вселенной
Когда космологи пытаются продвинуться еще дальше и понять самое начало Вселенной, их суждения становятся менее уверенными. В течение века общая теория относительности Эйнштейна была основой изучения эволюции Вселенной. Но она не согласуется с другим столпом современной физики — квантовой теорией, поэтому важнейшая задача — примирить их друг с другом. Только с такой объединенной теорией мы сможем продвинуться к самым ранним моментам эволюции Вселенной, к так называемой эре Планка с возрастом $10^<–43>$ с, когда формировалось само пространство-время.
Пробные варианты единой теории предлагают нам удивительные картины самых первых мгновений. Например, теория струн предсказывает существование дополнительных измерений пространства и, возможно, наличие других вселенных в этом суперпространстве. То, что мы называем Большим взрывом, могло быть столкновением нашей Вселенной с другой (см.: Венециано Г. Миф о начале времен // ВМН, № 8, 2004). Сочетание теории струн с теорией инфляции приводит, возможно, к самой грандиозной идее — к представлению о множественной Вселенной (multiverse), состоящей из бесконечного числа несвязанных частей, в каждой из которых свои физические законы (см.: Буссо Р., Полчински Й. Ландшафт теории струн // ВМН, № 12, 2004).
Идея множественной Вселенной еще находится в развитии и нацелена на две важнейшие теоретические проблемы. Во-первых, из уравнений, описывающих инфляцию, следует, что если она произошла один раз, то процесс будет происходить вновь и вновь, порождая бесконечное число «раздутых» областей. Они так велики, что не могут сообщаться друг с другом и поэтому не влияют друг на друга. Во-вторых, теория струн указывает, что эти области имеют разные физические параметры, такие как число пространственных измерений и семейства стабильных частиц.
Концепция множественной Вселенной позволяет по-новому взглянуть на две сложнейшие научные проблемы: что было до Большого взрыва и почему законы физики именно таковы? (Вопрос Эйнштейна: «Был ли у Бога выбор?» относился именно к таким законам.) Множественная Вселенная делает бессмысленным вопрос о том, что было до Большого взрыва, поскольку происходило бесконечное число больших взрывов, и каждый порождал свой всплеск инфляции. Вопрос Эйнштейна тоже теряет смысл: в бесконечном количестве вселенных реализуются все возможные варианты законов физики, поэтому законы, управляющие нашей Вселенной, не представляет собой что-то особенное.
Космологи неоднозначно относятся к идее множественной Вселенной. Если между отдельными субвселенными действительно нет связи, то мы не сможем убедиться в их существовании; фактически они находятся за пределами научных зна-ний. Часть меня хочет закричать: «Пожалуйста, не более одной Вселенной!» Но с другой стороны, идея множественной Вселенной решает ряд принципиальных проблем. Если она верна, то хаббловское расширение Вселенной всего лишь в 100 млрд раз и коперниковское изгнание Земли из центра Вселенной в XVI в. покажутся лишь малым дополнением к нашему осознанию своего места в космосе.
ВО ТЬМЕ
Важнейший элемент современного представления о Вселенной и ее величайшая загадка — темная энергия, недавно обнаруженная и глубоко таинственная форма энергии, вызывающая ускорение космического расширения. Темная энергия перехватила управление у материи несколько миллиардов лет назад. До этого расширение замедлялось под влиянием гравитационного притяжения материи, и гравитация была способна создавать структуры — от галактик до сверхскоплений. Ныне, из-за влияния темной энергии, структуры крупнее сверхскоплений не могут формироваться. А если бы темная энергия победила еще раньше — скажем, когда возраст Вселенной был всего 100 млн лет — то формирование структур прекратилось бы до того, как возникли галактики, и нас бы здесь не было.
У космологов пока весьма смутное представление о том, что же такое эта темная энергия. Чтобы расширение ускорялось, нужна сила отталкивания. Общая теория относительности Эйнштейна указывает, что гравитация предельно упругой формы энергии действительно может вызывать отталкивание. Квантовая энергия, заполняющая пустое пространство, действует именно так. Но проблема в том, что теоретические оценки плотности квантовой энергии не согласуются с требованиями наблюдений; фактически, они превосходят их на много порядков. Другая возможность: космическим ускорением может управлять не новая форма энергии, а нечто, имитирующее эту энергию, скажем, ошибочность общей теории относительности или влияние невидимых пространственных измерений (см.: Кросс Л., Тернер М. Космическая загадка // ВМН, № 12, 2004).
Если Вселенная продолжит ускоряться в нынешнем темпе, то через 30 млрд лет все признаки Большого взрыва исчезнут (см.: Кросс Л., Шеррер Р. Наступит ли конец космологии? // ВМН, № 6, 2008). Все галактики за исключением нескольких ближайших испытают столь большое красное смещение, что станут невидимыми. Температура космического фонового излучения опустится ниже чувствительности приборов. При этом Вселенная станет похожа на ту, какую астрономы представляли себе 100 лет назад, перед тем, как их приборы стали достаточно мощными, чтобы увидеть Вселенную, которую мы знаем сегодня
Современная космология по сути унижает нас. Мы состоим из протонов, нейтронов и электронов, которые в совокупности составляют всего 4,5% Вселенной; мы существуем лишь благодаря тончайшим связям между самым малым и самым большим. Законы микрофизики обеспечили доминирование вещества над антивеществом, появление флуктуаций, ставших затравкой для галактик, заполнение пространства частицами темной материи, обеспечившей гравитационную инфраструктуру, которая позволила сформироваться галактикам, прежде чем возобладала темная энергия, а расширение начало ускоряться (врезка вверху). В то же время космология по своей природе высокомерна. Мысль о том, что мы можем понять что-то в таком безбрежном океане пространства и времени, как наша Вселенная, на первый взгляд кажется абсурдной. Эта странная смесь скромности и самоуверенности позволила нам за прошедший век весьма далеко продвинуться в понимании строения современной Вселенной и ее эволюции. Я с оптимизмом жду дальнейшего прогресса в ближайшие годы и совершенно уверен, что мы живем в золотой век космологии.
Если бы во Вселенной было еще больше темной энергии, она бы осталась почти бесформенной (слева), без тех крупных структур, которые мы видим (справа).
Перевод: В.Г. Сурдин
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА
- The Early Universe. Edward W. Kolb and Michael S. Turner. Westview Press, 1994.
- The Inflationary Universe. Alan Guth. Basic, 1998.
- Quarks and the Cosmos. Michael S. Turner in Science, Vol. 315, pages 59–61; January 5, 2007.
- Dark Tnergy and the Accelerating Uni- verse. Joshua Frieman, Michael S. Turn- er and Dragan Huterer in Annual Reviews of Astronomy and Astrophysics, Vol. 46, pages 385–432; 2008. Доступно онлайн: arxiv.org.
- Черепащук А.М., Чернин А.Д. Гори- зонты Вселенной. Новосибирск: Изд- во СО РАН, 2005.
ОБ АВТОРЕ
Майкл Тернер (Michael S. Turner) первым взялся за объединение физики частиц, астрофизики и космологии и в начале нынешнего десятилетия возглавил работу Национальной академии в этой новой области исследований. Он профессор Института космологической физики Фонда Кавли в Чикагском университете. С 2003 по 2006 г. он возглавлял отделение физико-математических наук Национального научного фонда. Среди его наград премия Уорнера Американского астрономического общества, премия Лилиенфельда Американского физического общества и премия Клопстега Американской ассоциации учителей физики.
Источник