Чтение онлайн

Теория Фридмана нуждается в дальнейшем усовершенствовании. А поскольку трудности этой теории, ка^ правило, связаны с начальным периодом жизни Вселенной, можно думать что прежде всего следует уточнить описание свойств мира в окрестностям "особой точки" - в первые доли секунды после его рождения. Теория Фридмана и лежащая в ее основе общая теория относительности Эйнштейна имеют дело лишь с геометрическими свойствами природы. Никаких сведений о заполняющей пространство материи они не используют. Это оправданно на больших расстояниях, где гравитационные силы, определяющие метрику нашего мира, можно рассматривать отдельно от электромагнитных и ядерных взаимодействий. Но в микромире, где взаимодействия перемешиваются, такое приближение уже не верно. Там само пустое пространство зависит от свойств физических процессов. В нем постоянно происходят квантовые флуктуации - спонтанно рождаются и исчезают частицы, что и определяет основной, "нулевой" уровень мира - вакуум. Влияет это и на "ритм времени". В микромире пространство и время нельзя рассматривать отдельно от вещества. Можно думать, что вот в таком направлении и следует совершенствовать теорию Фридмана.

Сама по себе идея о тесной связи свойства пространства и времени со свойствами физических процессов далеко не нова. Знаменитый немецкий математик Бернгард Риман, которому мы ^обязаны созданием математической теории искривленных и многомерных пространств, высказал ее еще более ста лет назад. Эти убеждения разделял и Эйнштейн. Последние сорок лет своей жизни, большую ее часть, он целиком посвятил созданию единой теории электромагнитных и гравитационных сил. Однако экспериментальных данных, которые могли бы подсказать ему ведущую идею, в то время было еще недостаточно, а на основании одних только теоретических соображений построить новую теорию не удалось.

В поисках новой "теории мира"

Первый существенный шаг на этом пути сделал американский физик Алан Гут. Он обратил внимание на то, что если Вселенная будет расширяться таким образом, что плотность ее массы все время остается постоянной, то формулы теории относительности приводят к выводу: скорость расширения будет расти пропорционально размеру Вселенной. Чем больше Вселенная, тем быстрее она "распухает". Такой процесс происходит настолько быстро, что Вселенная почти мгновенно, всего лишь за 10 32 секунды, "раздувается" от микроскопического зернышка до чудовищного "пузыря" с радиусом на многомного порядков больше видимой нами Вселенной.

Представьте себе арбуз, который мгновенно увеличивается до размеров Галактики. Раздувание "пузыря Вселенной" еще грандиознее!

Можно предположить, что подобно тому, как это происходит с расширяющимся газом, температура "распухающей" Вселенной резко упадет и из первичной материи начнут выделяться кварки, глюоны и другие частицы "обычного" вещества с известными нам свойствами. Расширение Вселенной замедлится, и дальнейшая эволюция каждого ее участка будет совершаться уже по "стандартному" сценарию Фридмана. Вселенная Гута оказывается практически бесконечной, а видимая нами часть пространства (то, что до сих пор считалось почти всей Вселенной) - лишь ничтожно малая ее доля.

Предложенный Гутом сценарий развития Вселенной, хотя и выглядел весьма "сумасшедшим" (разве может быть вещество, которое, расширяясь, не уменьшает своей плотности?!), позволял, однако, устранить практически все трудности теории Фридмана. В начале "эры быстрого раздувания" - этот термин сегодня используют все астрономы и физики - Вселенная могла быть такой маленькой, что во всем ее объеме успело установиться равновесие однородное распределение плотности, температуры и других свойств. Такого предположения нельзя сделать в теории Фридмана, где обратный пересчет от современных размеров Вселенной приводит к выводу, что ее радиус всегда был слишком большим и взаимодействия не успевали передаваться с одного ее края на другой - край отодвигался раньше, чем до него доходила волна взаимодействия. Другое дело в модели Гута. Ведь видимая нами часть Вселенной образуется там путем фридмановского "распухания" крошечного участка уже "раздувшейся" Вселенной, и о ее начальных размерах можно делать различные предположения, в том числе считать их очень маленькими.

Понятным становится и то, почему наш мир плоский. Он лишь исчезающе малая точка в масштабах Вселенной, а на малых расстояниях кривизна незаметна. Это подобно тому, как мы не ощущаем кривизну земного шара в нашей повседневной жизни.

Магнитные частицы-монополи, рождение которых предсказывается теорией на очень ранних этапах развития Вселенной - значительно раньше рождения протонов, нейтронов и электронов,- разбросаны по огромному объему "раздувшейся" Вселенной, и вероятность найти их в видимой ее части неизмеримо мала.

Космологическая картина мира заметно прояснилась. Если бы вот только не гипотеза о расширяющемся веществе с постоянной плотностью... Как совместить ее с законами физики? Ведь ничего подобного нигде и никогда не наблюдалось. Даже дерзким на выдумки писателям-фантастам не приходило такое в голову! Пожалуй, только пустое пространство - вакуум - обладает необходимым свойством.

Помощь космологам пришла с противоположного полюса физической науки из области элементарных частиц. В середине семидесятых годов группой теоретиков-была разработана теория, объединившая три типа сил - сильные ядерные, электромагнитные и слабые, ответственные за распады частиц и ядер. Теория предсказала существование нового класса частиц - так называемых хиггсонов (по имени английского физика И. Хиггса, который первым стал изучать их свойства). Как.

говорит теория, эти частицы обладают двумя замечательными особенностями. Во-первых, они достаточно устойчивы только тогда, когда "сильная компонента" единого взаимодействия становится отличной от остальных: если же все три типа сил равноправны (это имеет место при очень высоких энергиях), хиггсонов практически нет - они распадаются, едва успев образоваться. Во-вторых, именно эти частицы, иначе говоря, поле, квантами которого они являются, в значительной степени определяют структуру, "консистенцию" и энергию вакуума. При этом увеличение хиггсова поля приводит к такой перестройке вакуума, что его энергия (нулевой "уровень" мира) понижается, а разность конечной и начальной энергий выделяется в виде массы и тепловой энергии элементарных частиц. Пустой мир заполняется веществом. Похоже на выпадение тумана или инея из прозрачного воздуха.

Это весьма грубая картина того, что происходит в действительности, но она позволяет наглядно представить себе суть дела. Обоснованием этих соображений занималась большая группа советских и зарубежных физиков, но основной вклад внесли теоретики Физического института имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР Д. Киржниц и А. Линде.

Так вот расширение юной Вселенной сразу после ее рождения привело к тому, что плотность массы в ней быстро упала почти до нуля. По оценкам Гута и Линде, это произошло где-то на уровне 1СГ35 секунды.

Пустая Вселенная, как уже упоминалось выше, мгновенно начала "раздуваться", увеличив свои размеры на десятки порядков. Температура ее быстро уменьшалась, и где-то ближе к середине эры "раздувания"

она стала такой, что нарушилась симметрия взаимодействий и создались условия для интенсивного рождения хиггсонов. Это сопровождалось снижением энергии вакуума и соответственно выпадением ("кристаллизацией") огромного числа протонов, нейтронов, частиц-гиперонов, различных типов мезонов.

Вследствие изменения уровня вакуума средняя плотность свободной ("плавающей" в вакууме) массы подскочила на сотню порядков - увеличилась в 10100 раз! Из вещества, которое возникло буквально из пустоты, в дальнейшем образовались все галактики, звезды, планеты окружающего нас мира. При этом в различных частях Вселенной мог образовываться различный вакуум. Соответственно, различными там будут и основные физические законы.

Каких только чудес не открывает физика!

Продолжительность эры быстрого "раздувания" составляла всего лишь около 10 32 секунды-трудновообразимый миг, но он в тысячу раз дольше всей предшествующей жизни Вселенной,