Экспоненциальное расширение.

Есть три простейшие модели Вселенной: плоская, открытая и замкнутая. Плоская Вселенная похожа на поверхность ровного стола; параллельные линии в такой Вселенной всегда остаются параллельными. Открытая Вселенная похожа на поверхность гиперболоида, а замкнутая Вселенная похожа на поверхность шара. Параллельные линии в такой Вселенной пересекаются на ее северном и южном полюсах.

Предположим, что мы живем в замкнутой Вселенной, которая сначала была маленькой как шарик. По теории Большого взрыва, она вырастала до порядочных размеров, но все равно оставалась относительно небольшой. А согласно инфляционной теории, крошечный шарик в результате экспоненциального взрыва за очень короткое время стал огромным. Находясь на нем, наблюдатель увидел бы плоскую поверхность.

Представим себе Гималаи, где существует множество различных уступов, расщелин, пропастей, ложбин, каменных глыб, т. е. неоднородностей. Но вдруг кто-то или что-то совершенно невероятным образом увеличил горы до гигантских размеров, или мы уменьшились, как Алиса в Стране чудес. Тогда, находясь на вершине Эвереста, мы увидим, что она совершенно плоская — ее как бы растянули, и неоднородности перестали иметь какое-либо значение. Горы остались, но для того чтобы подняться хотя бы на один метр, нужно уйти невероятно далеко. Таким образом, может быть решена проблема однородности. Этим же объясняется, почему Вселенная плоская, почему параллельные линии не пересекаются и почему не существуют монополи. Параллельные линии могут пересекаться, и монополи могут существовать, но только так далеко от нас, что мы не можем этого увидеть.

Модель Большого Взрыва.

Итак, одна из современных теорий – теория Большого Взрыва (Big Bang) смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с космологией. В основе этой теории лежит предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно

15 – 20млн. лет назад, когда всё вещество и энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке. Модель Большого Взрыва (БВ) была предложена в 1948 году Г.А. Гамовым. Возвращаясь к сгустку перед БВ, нужно отметить, что достоверно неизвестно, как этот сгусток образовался. Из чего?

И откуда взялось такое гигантское количество изначальной энергии? Тем не менее огромное радиационное давление внутри этого сгустка привело к необычайно быстрому его расширению – Большому Взрыву.

Составные части этого сгустка теперь образуют далёкие галактики, очень быстро удаляющиеся от нас. Мы наблюдаем их такими, какими они были примерно 10 – 14млрд лет назад. Г.А. Гамов также предположил, что все элементы Вселенной образовались в результате ядерных реакций в первые моменты после БВ. Дальнейшие уточнения этой теории показали, что ядерные реакции действительно имели место, но привели только к образованию гелия. Спектр гелия наблюдали в солнечном излучении задолго до того, как он был обнаружен на Земле, отсюда и название этого элемента происходит от греческого Гелиос – Солнце. Современные методы анализа излучения звёзд и галактик показали, что почти все они состоят из водорода (~60%) и гелия (~20%). Лишь малая часть водорода и гелия содержится в звёздах, где температура исключительно велика, атомы полностью ионизированы и составляют

высокотемпературную плазму. В межзвёздном пространстве водород и гелий находятся в атомарном состоянии.

Теория БВ полностью согласуется с наблюдаемой распространённостью гелия во Вселенной. Рассмотрим вариант образования сгустка первовещества. Предполагается, что эти межзвёздные атомы водорода и гелия служат сырьём для образования новых звёзд. Заметим, что распределение газа в межзвёздном пространстве неоднородно. Имеются выраженные флуктуации. Эти флуктуации плотности объясняются хаотическим движением атомов в пространстве. Случайно плотность вещества в определённой области может существенно превысить среднюю. При этом предполагается, что если количество превысит в какой-либо области критическое значение порядка 1000 солнечных масс, то в этой области возникают достаточно сильные гравитационные поля, способные противостоять разлёту газового облака и стремящиеся сжать его до возможно меньших размеров. Тогда возникает гипотеза: образование из межзвёздной пыли сгустка, гигантское уплотнение и…взрыв!

Реликтовое излучение.

Наиболее важным подтверждением теории БВ является обнаружение

реликтового излучения (РИ) связанного, по-видимому, с существованием первоначального сверхплотного сгустка вещества и излучения.

Н азвание «реликтовое излучение» ввёл отечественный астрофизик И.С. Шкловский(1916 – 1985). Первоначально оно обладало огромной энергией, но расширение и охлаждение сгустка привели к тому, что излучение также «остыло» и энергия квантов уменьшилась, т.е. возросла длина их волны. Это фоновое излучение существует и сейчас во Вселенной, но теперь уже в виде радиоволн, микроволнового и инфракрасного излучения. Температуру реликтового излучения рассчитал Г.А. Гамов. Она составляет около 3К, согласно современным данным 2,74 К. В последние годы экспериментально обнаружена анизотропия (неравномерность) реликтового излучения, которую связывают с неоднородностями распределения материи и наличием слабых возмущений. Открытие реликтового излучения произошло в известном смысле случайно. Его сделали американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вильсон, которые ничего не слышали о предсказании теории Г.А. Гамова. А. Пензиас Р. Уилсон использовали для изучения радиационных характеристик космического пространства рожковую антенну, первоначально сконструированную для системы связи через американский спутник «Эхо».

Эта специальная антенна принимала радиосигналы только из небольшого участка неба, на который она направлена.

Они обнаружили, что независимо от направления антенны в принимаемом сигнале присутствовала

существенная по величине энергия, соответствующая микроволновому участку спектра и температуре около

3,5К. Всё выглядело так, как если бы вся Вселенная была пронизана этим микроволновым фоном. Тем не менее значение их наблюдений стало общепризнанным и они в 1968году получили Нобелевскую премию. Таким образом, были получены некоторые экспериментальные доказательства справедливости теории БВ.

Сценарий развития Вселенной после Большого Взрыва.

Рассмотрим один из многих возможных сценариев развития событий по м одели БВ и горячей Вселенной.

Сразу после БВ Вселенная представляла собой сингулярность – область с очень высокой плотностью энергии из элементарных квантов электромагнитного излучения огромных энергий со взаимными превращениями. Приблизительно через 1с Вселенная стала расширяться с уменьшением плотности и температуры. При громадных плотностях и температурах вещество состояло только из элементарных частиц – протонов и нейтронов. Частицы движутся так быстро, что при столкновениях образуются парами новые частицы (частица – античастица). Чем выше температура Вселенной, тем более тяжелые частицы могут рождаться при столкновениях. Предполагается, что качественный состав элементарных частиц, образовавших новую Вселенную, менялся при её расширении. Сначала все фундаментальные взаимодействия в Природе были объединены и имели одинаковую интенсивность. Затем возникли тяжёлые фундаментальные частицы – кварки и антикварки. По мере уменьшения температуры и роста времени за счёт аннигиляции число пар этих тяжёлых частиц уменьшилось, затем они быстро исчезали. Далее наступает время лёгких частиц (лептонов). Вселенная как бы « омолодилась» и практически состояла из лептонов и излучения (квантов). Затем от ~1 до 10 с Вселенная, продолжая расширяться, потеряла и эти частицы, которые при аннигиляции превратились в фотоны. Этим фотонам не хватало энергии, чтобы образовать электрон-позитронную пару, поэтому излучение преобладало над веществом (эпоха излучения).   Через приблизительно 100 с после БВ температура Вселенной упала ещё, и скорости оставшихся протонов уменьшились настолько, что за счёт ядерных сил притяжения они начали соединяться в ядра лёгких элементов, в основном гелия, затем лития и бериллия. По прошествии нескольких часов после БВ образование этих ядер закончилось. Этот период эволюции называется временем нуклеосинтеза. Далее в течении миллионов лет Вселенная продолжала расширяться и охлаждаться. При этом энергии фотонов были значительно больше сил связи электронов и ядер, и поэтому атомы не могли образоваться. Затем при дальнейшем уменьшении температуры энергия электромагнитного притяжения ядра и электрона стала больше энергии фотонов, и тогда начали образовываться атомы. Фотоны перестали взаимодействовать с веществом, как говорят космологи, - Вселенная стала прозрачной. С момента БВ до наших дней реликтовое излучение заполняет нашу Вселенную. Таким образом, РИ несёт информацию о молодой Вселенной, когда ей исполнился «всего» 1миллион лет. В рамках модели расширяющейся Вселенной можно построить схему физической истории Вселенной. В начальный период времени прозрачная Вселенная была однородным «бульоном» из элементарных частиц, ядер, атомов и фотонов. Затем флуктуационно возникают области, где плотность материи несколько выше. Это, приводит к увеличению гравитации в этих областях, а значит, к отставанию этих областей от общего темпа расширения Вселенной. Атомы и частицы в этих областях за счёт уменьшения объёма испытывали большое число столкновений, газ разогревался, возникали термоядерные реакции. Давление внутри области возрастало, область переставала сжиматься. Сценарий БВ в целом оправдывает доверие научного мира, за исключением первых мгновений эволюции Вселенной, но не может объяснить конкретную причину БВ – причину первотолчка, не даёт ответа, почему мощность взрыва была именно такой, какой была, - не больше и не меньше. Теория не может также объяснить причину крупномасштабной однородности Вселенной, но одновременно в меньших масштабах допускает наличие в прошлом отклонений от однородности, которые и привели впоследствии к возникновению галактик. При этом предполагается, что расширение происходит с большой степенью однородности и изотропности, а удалённые друг от друга неоднородности причинно между собой не связаны.

Модель раздувающейся Вселенной.

Ч астично эти вопросы снимает ещё одна современная модель – сценарий раздувающейся Вселенной (РВ).

Раздувание идёт экспоненциально, со скоростью, значительно большей скорости света. Объяснение этому парадоксальному выводу таково, что это был ещё не наш мир со стандартным набором мировых констант, а сингулярность с квантовой гравитацией. Эта модель хаотического раздувания носит также название «инфляционной Вселенной». Суть её в том, что внутри быстро расширяющейся, перегретой Вселенной небольшой участок пространства охлаждается и начинает расширяться сильнее, подобно тому как переохлаждённая вода стремительно замерзает, расширяясь при этом. Эта фаза быстрого расширения позволяет устранить некоторые проблемы, присущие стандартным теориям БВ. Поскольку раздувающаяся, расширяющаяся Вселенная является принципиально открытой системой, то о возрастании в ней энтропии говорить не имеет смысла и тем самым снимается проблема тепловой смерти Вселенной. Эта модель связана с понятием вакуума. Согласно этим идеям Вселенная начала свою жизнь из состояния вакуума, лишенного вещества и излучения. По современным представлениям вакуум – особый тип физической реальности, особое «ничто», скрытое бытие, потенциально содержащее всевозможные виртуальные частицы и при сообщении энергии этому вакууму из него можно извлечь любые реальные частицы и объекты, в том числе не только нашу Вселенную, но и другие Вселенные. В вакууме происходит нарушение симметрии и поэтому виртуальные частицы, которые там могут быть и вылетать из него, тоже асимметричны. В синергетическом понимании эти виртуальные элементарные частицы являются продуктами самоорганизации физического вакуума. Считается, что в вакууме вместе с увеличением плотности энергии возникают натяжения подобно тем, что возникают в твёрдом теле при деформации. Эти натяжения адекватны отрицательному давлению, которое и может служить первотолчком, приведшем к раздуванию. В одной из моделей вакуума предполагается, что вакуум как бы перегретая жидкость и является резервуаром энергии, которая и может реализоваться затем в резком и за короткое время расширении, раздувании Вселенной. Это и есть так называемая инфляционная модель образования нашей Вселенной. В этой модели предполагается и подтверждается данными наблюдательной астрономии последних лет, что Вселенная родилась 15 – 18 миллиардов лет назад из вакуума путём спонтанного (самопроизвольного) нарушения его симметрии. Получается, что Вселенная как бы самозародилась. Конечно, это выглядит несколько парадоксально: чем не Божественное сотворение Мира? Вот, что по этому поводу говорил Я.Б. Зельдович: «Понятие классической космологической сингулярности должно быть существенным образом заменено квантово-гравитационным процессом, описывающим рождение нашего мира. Предполагается, что в начальном состоянии не было ничего, кроме вакуумных колебаний всех физических полей, включая гравитационное. Поскольку понятия пространства и времени являются существенно классическими, то в начальном состоянии не было реальных частиц, реального метрического пространства и времени. Считаем, что в результате квантовой флуктуации и образовалась трёхмерная геометрия... Кроме того, на этой стадии из вакуумных флуктуаций негравитационных полей рождаются флуктуации плотности вещества, которые значительно позже, в близкую нам эпоху, приводят к образованию скоплений галактик, нашей Галактики, звёзд и в конечном итоге планет и самой жизни».