Страница 70 из 77
Из глубин микромира к Вселенной
Для того чтобы приблизиться еще на один шаг к началу начал, необходимо новое продвижение в мир элементарных частиц. Теория Великого объединения не может служить руководством в мире температур, существенно превышающих 1028 К.
Следующий рубеж, отстоящий от начала менее чем на 10-34 с, характеризуется колоссальной температурой в 1032 К. При этой температуре плотность ложного вакуума достигала 1074 грамма на кубический сантиметр, а плотность частиц и античастиц, постоянно рождающихся и исчезающих в этом адском пекле, была еще большей и, возможно, достигала 1094 г/см.
В этих условиях сила гравитации, которая сейчас является самой слабой из сил взаимодействия, объединяется с остальными в одну универсальную силу. Ученые называют такое состояние суперсимметричным и иногда говорят о нем как о суперобъединении.
Вспомним, что ложный вакуум, в отличие от всей остальной материи и энергии, обладает внутренним давлением, что приводит к гравитационному отталкиванию. Но в самом начале, когда плотность горячей обычной материи больше плотности ложного вакуума, силы тяготения, порождаемые материей, перевешивали силы отталкивания, создаваемые ложным вакуумом. Поэтому вплоть до момента, отстоящего от начала на 10-34 с, Вселенная расширялась по обычным фридмановским законам.
В ходе такого расширения Вселенной плотность материи уменьшалась, а плотность ложного вакуума оставалась неизменной. Эпоха первоначального расширения закончилась через 10-34 с после условного фридмановского начала. В этот момент плотность материи сравнялась с плотностью ложного вакуума и продолжала убывать все быстрее. Вместе с плотностью материи убывают и силы тяготения, которые уже не могут противостоять отрицательному тяготению ложного вакуума. Это постоянно действующее внутреннее давление заставляет Вселенную расширяться все быстрее. За ничтожное время, от 10-34 с до 10-32 с, все размеры Вселенной увеличились в 1050 раз. При этом температура и плотность обычной материи стремительно уменьшаются и Вселенная становится переохлажденной, практически лишенной обычной материи и наполненной лишь ложным вакуумом. Стремительное охлаждение продолжается до тех пор, когда ложный вакуум теряет устойчивость. Ложный вакуум начинает превращаться в обычную материю, температура которой быстро увеличивается примерно до 1023 К. Это много ниже температуры 1028 К, при которой нарушается Великое объединение и рождаются магнитные монополи. Поэтому они не рождаются, что соответствует опыту, не обнаруживающему их, несмотря на большую чувствительность приборов.
Углубленные исследования начального состояния Вселенной опубликованные советскими учеными в 1985 году, привели к синтезу сценария Старобинского, исходящего из учета квантовых свойств сверхплотного гравитационного поля (учет квантовых эффектов необходим при плотностях материи, соответствующих суперобъединению всех четырех фундаментальных взаимодействий в единое суперсимметричное поле) и нового сценария раздувающейся Вселенной, предложенного Линде.
При этом тоже оказывается, что современная Вселенная — огромная область с радиусом 1028 см, на котором лежит наш современный горизонт событий, — является лишь малой частицей того, что возникло из одного домена ложного вакуума, размер которого в наши дни намного больше горизонта событий и может достигать фантастически больших размеров 1010 5 см— (Эта запись означает: десять в стотысячной степени.)
Ученые теперь вынуждены считать эту огромную область мини-вселенной, допуская, что множество других мини-вселенных рождаются из других пузырьков ложного вакуума. Теперь мы должны считать Вселенной весь конгломерат этих мини-вселенных, в одной из которых мы живем.
Необходимо признать, что Вселенная, о которой шла речь выше, в действительности не охватывает всей материи и всего пространства. Мы будем по-прежнему называть Вселенной ту область пространства, ту материю, которую можно наблюдать: эта область лежит внутри сегодняшнего горизонта событий, и ее размеры — около 1028 см.
Ученые, стремящиеся к краткости, поступают так же — это удобнее, чем применять название «мини-вселенная». Термин, предназначенный для определения всей совокупности мини-вселенных, еще не установлен. Может быть, удобно называть мини-вселенные просто вселенными (с маленькой буквы), подобно тому как мы выделяем нашу Галактику от множества других галактик.
Забегая вперед, заметим, что невозможно обнаружить вселенные, лежащие за пределами горизонта событий. Но это не ограничивает человеческое познание, познавательную силу науки. Ученые считают, что законы природы, действующие в нашей Вселенной, справедливы и за ее пределами. Это позволяет теории проникать дальше, чем наблюдательной астрономии. Человеческая мысль не ограничена даже горизонтом событий.
Следует обратить внимание на преемственность результатов, получаемых на каждом этапе развития науки. Все совпадающее с опытом сохраняется, все противоречащее опыту отбрасывается.
Ученые теперь думают о том, что происходило при временах меньших, чем 10-45 с. Они считают, что тогда распадалось на кванты само время и пространство. Как это происходило и сохранились ли до наших дней какие-либо реликты — остатки этой эпохи, — можно только гадать.
Однако знания, уже полученные учеными, приводят к выводу о том, что теория справилась с главной трудностью познания прошлого. В эволюции Вселенной не было состояния, когда вся она была сжата в бесконечно малом объеме, когда плотность и температура должны были быть бесконечно большими.
Новые знания устранили и трудность, вызванную необходимостью жестко задавать начальные условия. Огромный масштаб ускоренного расширения не требует точных знаний того, что было до начала расширения. Эволюция Вселенной не зависит от того, началось ли расширение с размера 10— 24 см или с еще меньшего размера. Но можно с уверенностью сказать, что на этом рубеже она находилась в чрезвычайно плотном и горячем состоянии.
Ученым удалось понять состояние Вселенной до момента, отстоящего всего на 10-34 с от условного фридмановского начала, проследить за ее переходом от этапа, начавшегося в момент 10-34 с, вплоть до момента 10-3 с, когда Вселенная вступила в зону стандартного сценария. Его достоверность подтверждена результатами наблюдений. Один из рубежей определил относительное содержание гелия 25–30 % и водорода 75–70 % с ничтожным содержанием остальных химических элементов; второй — определил температуру реликтового излучения, составляющую 2,7 К.
Мы подошли вслед за учеными вплотную к началу начал. Теперь следует посмотреть, как развитие науки сказалось на наших знаниях о современной Вселенной, ее недалеком прошлом и вероятном будущем.
К нашему времени
Оглянемся назад. Мы проследили за эволюцией Вселенной от момента, отстоящего на 10-34 с от начала эволюции, если за стартовый момент принять условное начало фридмановского решения уравнений Эйнштейна. Мы знаем, что в действительности Вселенная родилась не из бесконечно малой точки, но о сверхранних этапах ее эволюции еще ничего не известно. Мы знаем лишь то, что тогда все четыре взаимодействия были слиты воедино, материя и энергия тоже слились и стали неразличимы, а температура превосходила 1032 К. Затем Вселенная равномерно расширялась «по Фридману» до тех пор, пока из-за этого расширения плотность материи не стала малой. На рубеже этой эпохи внутреннее давление ложного вакуума пересилило силу гравитации и расширение Вселенной стало ускоренным. Она расширялась все быстрее, пока ложный вакуум не потерял устойчивости. Тогда из него заново родилась горячая материя с температурой около 1023 К, а расширение снова стало фридмановским и осталось таким до сих пор. Скорость этого расширения медленно убывает под действием силы тяготения, температура продолжает неуклонно падать. Мы проследили эту стадию до тех пор, пока температура не упала примерно до 4000 К. Возраст Вселенной тогда лежал в пределах от 500 000 до 700 000 лет. При температуре в 4000 К электроны соединились с ядрами водорода и гелия, образовав нейтральные атомы. Вселенная, наполненная нейтральным газом, стала практически прозрачной для излучения. Фотоны и вещество продолжали расширяться вместе с расширяющимся пространством, но уже независимо.