Вселенная, солнечная система, земля в современной естественно-научной картине мира

В первоначальных моделях горячей Вселенной не удавалось объяснить происхождение скоплений галактик. Исходя из раз­личных моделей гравитационной неустойчивости, можно было объяснить происхождение отдельных звезд и планетных систем, но не скоплений галактик. В этой связи крепло убеждение, что происхождение гигантских космических образований, каковы­ми являются скопления галактик, а также отдельные галактики следует объяснять не процессами, случившимися после Большо­го взрыва, а присущими его изначальной природе. Эта идея стала руководящей в размышлениях американца А. Гута (1980).

Гут предложил модель раздувающейся, инфляционной (от лат. 1п[1аЫо — вздутие) Вселенной [25]. Суть гипотезы Гута со­стоит в том, что в квантовом вакууме в условиях чрезвычайно высокой энергии частиц последние создают сильное натяжение. Давление внутри вакуума не положительно, а направленно внутрь среды). Отрицательное давление приводит к тому, что гравитационные силы становятся силами отталки­вания, такой вывод следует из теории Эйнштейна [28, с. 64—65]. Под действием гигантских сил отталкивания квантовый вакуум невообразимо быстро расширяется, приблизительно за 10~30 с его размеры увеличиваются в 1030 раз. Раздувание Вселенной про­исходит молниеносно. В результате расширения сам вакуум ох­лаждается, а заключенная в нем гигантская энергия выделяет­ся в виде излучения, температура которого примерно 1028 К. При такой сверхвысокой температуре привычные нам части­цы — кварки, лептоны и т.д.— не существуют. Для вакуума с от­рицательным давлением характерны квантовые флуктуации. И вот как раз они и являются начальными состояниями буду­щих галактик и их скоплений.

Итак, то, что красиво называют Большим взрывом, соглас­но современным научным представлениям есть не что иное, как длящееся невообразимо короткое мгновение (~10~30с) расшире­ние высокоэнергетического квантового вакуума. Паша Вселен­ная родилась быстро и не из ничего, а из вакуума особой при­роды, по поводу которого ведутся большие дискуссии. Несмотря на это, абсолютное большинство современных космологов явля­ются приверженцами модели раздувающейся Вселенной. Они по­лагают, что в пользу этой модели свидетельствуют ее многочис­ленные соответствия данным астрономических наблюдений. Такого рода соответствия никогда не считаются в науке чем-то несущественным.,

История нашей Вселенной — это преобразования, происхо­дящие с излучением, явившимся результатом расширения ваку­ума с отрицательным давлением. Излучение в результате свое­го расширения охлаждается, что приводит к возникновению («вымораживанию») элементарных частиц, вещества, атомов водорода, звезд и планет, равно как и всех других составляющих космического «зоопарка».

где Т — температура; I — время, с [28, с. 109]. Из приведенно­го выше соотношения следует, что при ^ = 1 с Т = 1010 К.

121

Развитие и охлаждение первоначального излучения Вселен­ной происходят очень быстро, в соответствии с приближенным соотношением

При такой температуре многие частицы аннигилируют, а нейт­рино и антинейтрино начинают вести себя как самостоятельные частицы. Примерная космологическая картина развития Вселен­ной представлена в табл. 8 [ср.: 23, с. 98—115; 26, с. 188; 14, с. 192-200].

Таблица 8. Эволюция Вселенной

Добавим к данным, приведенным в таблице, что первые звез­ды образовались спустя 10 млн лет после фазы инфляции. Что касается Солнца и Земли, то их возраст соответственно около 5,0 и 4,6 млрд лет, т.е. они представляют собой относительно моло­дые космические образования.

Резюме

• В космологических размышлениях наибольшие сложности связаны с осмыслением космической сингулярности.

122

•  В первоначальных моделях горячей Вселенной не удавалось
объяснить происхождение скоплений галактик (почему звезды
собираются в галактики?).

•  А.Гут предложил модель «раздувающейся» Вселенной.
Причиной взрыва явилось сильное натяжение частиц, из кото­
рых состоял протовакуум.

•  За появление галактик и их скоплений отвечают неоднород­
ности протовакуума.

•  Расширение космического излучения приводит к возникно­
вению («вымораживанию») элементарных частиц, вещества,
звезд, планет и других составляющих космического «зоопарка».

•  Современная космология позволяет представить эволюцию
Вселенной во времени, начальные мгновения которого отстоят
от начала Большого взрыва всего на 10~32 с (иногда заходит речь
о Ю-43 с).

17. Объяснение ряда космологических фактов

Модель «раздувающейся» Вселенной позволяет дать разум­ные ответы на ряд сложных вопросов, объяснить множество ко­смологических фактов.

Почему единообразно расширяются различные области Все­ленной? Потому что фазой инфляции был охвачен весь изначаль­ный, обладающий отрицательным давлением вакуум (протова­куум). Процессы во Вселенной происходят единообразно, ибо они имеют один и тот же источник.

Почему реликтовое излучение приходит на Землю со всех сторон, но не обладает одинаковой степенью интенсивности? Оно приходит со всех сторон в силу уже упоминавшейся единооб-разности происходящих в различных областях Вселенной процес­сов. Но необходимо иметь также в виду квантовые флуктуации протовакуума. Именно их различие приводит к неодинаковости галактик и к несовпадению интенсивностей потоков реликтово­го излучения, приходящих к Земле.

Каковы причины происхождения «зоопарка» известных нам элементарных частиц? Последние действительно имеют опре­деленную историю происхождения, которая связана с остывани­ем инфляционного излучения. Согласно квантовой теории поля, сам фактор существования частиц не является независимым феноменом. Изменение энергии частиц приводит к их преобра­зованию в другие квантовые объекты. Какие именно частицы су-

123

ществуют, зависит от энергии (температуры) излучения. При тех гигантских температурах (примерно 1028 К), которые имели место сразу же после окончания фазы инфляции протовакуума, известные нам элементарные частицы — кварки, лептоны и пр. — не могли существовать. Инфляционное излучение состо­яло из невоспроизводимых в современных лабораторных усло­виях частиц, их часто называют Х-частицами. В мире Х-частиц властвует симметрия, гигантские температуры нивелируют вся­кие различия. Лишь после реализации ряда механизмов спон­танного нарушения симметрии возникает разнообразие частиц, с которым имеет дело современный человек. Кварки и лептоны, из которых состоит вещество, возникают при температурах око­ло 1016 К. Такие температуры, а соотвествуют они возрасту Все­ленной 10~12 с, воспроизводятся в современных ускорителях элементарных частиц.

Почему вещество возобладало на$ антивеществом? Хоро­шо известно, что все частицы, за исключением истинно нейтраль­ных, обладают своими двойниками, взаимодействуя с которыми, они аннигилируют. В современном мире существует резкая асим­метрия между частицами и античастицами, веществом и анти­веществом. Почему? Разве инфляционное излучение не было в высшей степени симметричным, несовместимым с асимметри­ей частиц и античастиц? Чтобы найти разумные ответы на по­ставленные вопросы, необходимо обнаружить механизм наруше­ния симметрии между частицами и античастицами. По поводу природы этого механизма ведутся острые дискуссии. Но при этом спорящие стороны едины в том, что в нарушении симметрии ча­стиц и античастиц нет ничего особенно удивительного, ведь симметрия нарушается очень часто. Согласно господствующему мнению, на определенном этапе эволюции Вселенной симметрия между частицами и античастицами оказалась слабонарушенной и в результате после фазы бурной аннигиляции частиц как раз и возникла асимметрия между веществом и антивеществом. Вполне вероятно, что за упомянутую асимметрию ответственны слабые взаимодействия. Именно они, источники многих наруше­ний симметрии, «подозреваются» в первую очередь в качестве причины возобладания вещества над антивеществом.

Как образуются звезды? Энергия и масса Вселенной сосре­доточены в основном в звездах. Огромные скопления звезд на­зываются галактиками. Ближайшая к нам звезда Солнце входит в галактику Млечный путь, состоящий из 200 млрд (примерно 2-Ю11) звезд. Галактика в переводе с греческого как раз и оз-

124

начает млечное (молочное) образование. Млечный путь виден на звездном небе как неярко светящаяся полоса. Ближайшие к нам галактики — Магеллановы облака и Туманность Андромеды. Известно около 3000 скоплений галактик, каждое из которых со­стоит, как правило, примерно из десятка тысяч членов. Галак­тики содержат не только звезды, но и газовые и пылевые обла­ка, потоки элементарных частиц, планеты, астероиды и кометы. Но, бесспорно, главными энергетическими представителями Все­ленной являются звезды, которые, как выяснится ниже, суще­ственно разнятся по своим характеристикам.

Звездная структура Вселенной, происходящие и поныне в ней изменения свидетельствуют о том, что эта структура, безуслов­но, имеет определенную историю. Разумеется, очень непросто представить, причем в строго научной форме, с соответствующи­ми математическими расчетами, картину звездной эволюции Вселенной. Способен ли поток быстро движущихся частиц, явив­шийся результатом раздувания инфлантонного вакуума, самоор­ганизоваться в такие специфические образования, каковыми являются звезды?

Обычно на поставленный выше вопрос отвечают следующим образом. Частицы однородной среды благодаря силам тяготения притягиваются друг к другу. В указанной среде не обходится без флуктуации, возникновения участков неоднородностей. В тех участках среды, где ее плотность возросла, тяготение стремится еще более сблизить частицы. Гравитационная неустойчивость среды приводит к появлению в ней зон разрежений и сгущений. Их разрастанию препятствуют силы давления. Критический раз­мер, при котором силы тяготения уравновешивают друг друга, на­зывается джинсовой длиной, которая вычисляется по формуле

и

где I — джинсова длина, и — скорость звука в среде (она отоб­ражает величину давления), С — гравитационная постоянная, р — плотность среды. При длинах, меньших джинсовой, грави­тационная неустойчивость приводит к гравитационной конден­сации разреженных облаков газа и превращению их в звезды. Вещественное содержание первых звезд, сформировавшихся в расширяющейся Вселенной, в основном было водородным.

Приведенная выше формула Дж. Джинса была получена им в 1902 г. Ее главный смысл состоит в подтверждении возмож­ности возникновения звезд в результате эволюции гравитаци-

125

онной неустойчивости, сопровождаемой гравитационной кон­денсацией. Но в начале XX в. ничего не знали о фридмановском расширении и тем более о флуктуациях протовакуума, еще предстояло развить расчетно-теоретические методы газовой ди­намики с их соответствующим компьютерным обеспечением. Широко используемое в наши дни компьютерное моделирование подтверждает представление об образовании звезд и галактик из материала расширяющейся Вселенной в результате эволюции гравитационной неустойчивости. Из астрономических наблюде­ний хорошо известно, что процесс образования звезд продолжа­ется и в нашу эпоху.

Каков источник энергии звезд? Гравитационное сжатие про-тозвездного облака, обычно происходящее со скоростью несколь­ко километров в секунду, приводит к образованию ядра звезды. Оно образуется, например, в случае массивных звезд за 300— 400 тыс. лет. Давление излучения останавливает гравитацион­ное сжатие. Кинетическая энергия сближающихся частиц, а это в основном атомы водорода, нагревают ядро звезды, что приво­дит к «включению» звезды — в ее ядре происходят термоядер­ные реакции, которые как раз и являются главным источником энергии излучения звезд.