Вселенная: рождение и эволюция

ЛЕКЦИИ ПО ГЕОЛОГИИ ВСЕЛЕННАЯ: РОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ

А.К. Корсаков

Российский государственный геологоразведочный университет им. С. Орджоникидзе, Москва

Поступила в редакцию 10.10.14

Вопросы строения и происхождения окружающего нас мира интересовали человечество с момента возникновения цивилизации до настоящего времени. Не пропадет интерес к этой проблеме и в будущем. Не останавливаясь на донаучных представлениях о строении Вселенной, следует отметить, что первая заслуживающая внимания модель Вселенной, геоцентрическая, владела умами ученых на протяжении почти полутора тысяч лет. Наибольший вклад в ее развитие внесли Аристотель и Птолемей (II в. н.э.). В центре этой модели находилась Земля, вокруг которой вращались Солнце и планеты Солнечной системы, и все было заключено в небесную сферу, где располагались многочисленные звезды. Небесная сфера также вращалась вокруг Земли, благодаря чему звезды в разное время года наблюдались в различных местах. Со временем появлялись все новые и новые факты, которые нельзя было объяснить в рамках геоцентрической системы. Открытие вращения Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца опровергло геоцентрическую модель и послужило фундаментом гелиоцентрической модели, в центре которой было Солнце, а Земля, как и другие планеты, вращалась вокруг него. Солнечная система, как и в геоцентрической модели, окружена небесной сферой с расположенными на ней звездами. Основателем этой модели по праву называют Николая Коперника. Его основной труд «Вращение небесных сфер» увидел свет в день смерти автора (1543 г.). С развитием астрономии и радиоастрономии уже в XVIII в. стало ясно, что Солнце не является центром мироздания, более того, это самая заурядная звезда. Солнце со своими планетами — маленькая крупинка в галактике Млечный путь, а таких галактик миллионы, если не миллиарды. В данной ситуации, когда центр Вселенной определить невозможно, стало бессмысленно давать в названиях моделей слово «центрическая».

Но как бы существенно ни различались модели, разработанные до начала XX в., у них была одна общая особенность. Звезды, которые наблюдаются на небосводе, в этих моделях находились на постоянных расстояниях, т.е. они не изменяли положения относительно друг друга. Такие модели получили название «стационарных». Таким образом, на начало XX в. существовала стационарная модель Вселенной, суть которой заключалась в том, что она вечна, бесконечна

и расположение звезд и галактик по отношению друг к другу постоянно.

Работая в начале XX в. над общей теорией относительности, А. Эйнштейн обратил внимание на тот факт, что расстояния между космическими объектами — галактиками — остаются неизменными, в то время как силы гравитации притягивают и сближают со временем материальные объекты. Но поскольку Вселенная постулировалась стационарной, то в природе должны были быть силы, которые равны силам гравитации, но направлены не на притягивание тел, а наоборот — они отталкивали бы материальные тела друг от друга. Теоретически рассчитав такую силу в 1917 г., А. Эйнштейн назвал ее космологической постоянной и обозначил буквой ламбда (Л). После введения космологической постоянной противоречие, связанное с силами гравитации, было снято и астрономы успокоились. Однако в 1922 г. российский ученый А. Фридман, решая уравнения гравитации А. Энштей-на, пришел к выводу, что Вселенная — нестационарна, она должна расширяться. А. Фридман опубликовал свои выводы, но научной общественностью это было воспринято как математический курьез, и статья осталась без внимания, вскоре была забыта, а ее автор скоропостижно умер от брюшного тифа и не смог увидеть свой триумф. А он был уже не за горами. Изучая излучения соседних галактик на новом телескопе, Э. Хаббл в 1929 г. пришел к выводу, что галактики удаляются друг от друга. Этот вывод основывался на эффекте Доплера, который говорит о том, что длина волны удаляющегося от наблюдателя тела смещается в длинноволновую (красную) часть спектра. По данным Э. Хаббла, у большинства галактик наблюдается смещение в длинноволновую область спектра. Более того, Хабблом был доказан и тот факт, что раз-бегание галактик идет не с постоянной скоростью. Чем дальше от нас галактика, тем с большей скоростью она удаляется. Величина, на которую увеличивается скорость удаления галактик на единицу расстояния, получила название постоянной Хаббла и находится в интервале 75—100 (км/с)/Мпк. Таким образом, Э. Хаббл экспериментально подтвердил вывод А. Фридмана о том, что Вселенная — нестационарна, что она расширяется. Мало кто сейчас сомневается в том, что наша Вселенная расширяется, хотя есть и противники этой модели, которые считают, что крас-

ное смещение в излучении галактик связано не с их удалением от нас, а со старением излучения, пока оно идет к нам.

Не приходится удивляться, что астрофизики, убедившись в расширении Вселенной, захотели узнать, с чего начиналось это расширение. Для этого им пришлось «прокрутить» события назад с помощью математического моделирования. Математическое моделирование показало, что примерно 13,7 млрд лет тому назад вся Вселенная занимала объем размером с горошину, и в какой-то момент эта горошина взорвалась и вещество начало разлетаться в разные стороны. Этот взрыв получил название «Большой взрыв». По мнению астрофизиков, до Большого взрыва не было пространства и времени, плотность вещества стремилась к бесконечности. Такое состояние получило в физике название «сингулярности». Таким образом, 13,7 млрд лет тому назад наша Вселенная находилась в состоянии сингулярности, из которого ее вывел Большой взрыв. Определенная трудность для физиков заключалась в объяснении причин Большого взрыва, ведь речь шла о взрыве не просто какого-то тела, а объекта, плотность которого стремилась к бесконечности и значительно превышала плотность любой черной дыры. Причину Большого взрыва физики увидели в силе натяжения вакуума. С физической точки зрения вакуум — это не абсолютная пустота, в вакууме периодически на очень короткий промежуток (10-10п) возникают всплески энергии, которые в силу короткого времени существования назвали «виртуальными». Виртуальные события (короткожи-вущие элементарные частицы, энергетические всплески и т.д.) приборами зафиксировать не удается, и об их существовании часто судят по последствиям. Физики считают, что в какой-то момент возник такой виртуальный всплеск энергии, который разорвал Вселенную, находившуюся в состоянии сингулярности 13,7 млрд лет тому назад. Последовавшие за этим взрывом события в хронологической последовательности выглядят следующим образом, по Г.А. Гамову (1948):

1. 10-43 с — наступает планковская эпоха (температура составляет примерно 1032 К, плотность вещества 1093 г/см3), рождаются пространство и время (до план-ковской эпохи эти понятия не имели смысла), появляются фундаментальные законы. В планковскую эпоху гравитационное взаимодействие отделяется от других фундаментальных взаимодействий.

2. 10-35 с — возникает электромагнитное излучение, образуются кварки и глюоны, электроны и др. Вселенная начинает экспоненциально расширяться, температура ее падает. Данный период получил название «периода инфляции». К концу этапа вещество представляло собой кварк-глюонную плазму.

3. 10-6 с — температура упала до значений, при которых стало возможным образование протонов и нейтронов из кварк-глюонной плазмы. Поскольку протоны и нейтроны относятся к тяжелым частицам

барионам, этот этап стали называть «бариогенезом». На этом этапе произошло асимметричное образование материи и антиматерии. Антиматерия аннигилировала и превратилась в излучение.

4. 3 мин — температура упала до 109 К и стал возможен синтез ядер водорода (дейтерия) и гелия. В это время соотношение водорода и гелия было зафиксировано. Этот период еще называют «затуманенной Вселенной». Частицы в силу малого объема хаотически двигались, на ядрах рассеивалось излучение, так как оно повсеместно на них натыкалось. Этот этап получил название «нуклеосинтеза».

5. 300 000 лет после Большого взрыва Вселенная остыла до 3000° С. Электроны соединились с ядрами и образовали атомы дейтерия и гелия. Вселенная стала прозрачной, так как количество частиц уменьшилось и излучение стало проходить беспрепятственно.

6. 1—2 млдр лет — атомы гелия и водород объединились в облака, которые и дали начало первым звездам и галактикам (рис. 1, 2).

Составленная картина формирования Вселенной в результате Большого взрыва достаточно необычна не только для рядового обывателя, но и для серьезных исследователей. Такие понятия, как сингулярность, натяжение вакуума и др., трудно сопоставить с наблюдаемыми в макромире явлениями. Но, пожалуй, самым большим препятствием на пути признания такой модели формирования Вселенной была невозможность ее проверки экспериментальными данными. Как следует из процесса формирования Вселенной, все частицы, возникшие в первые секунды после Большого взрыва, соединились в атомы водорода и гелия и уже перестали нести признаки Большого взрыва. Некоторая надежда оставалась на излучение, которое возникло в момент взрыва в результате расширения, сильно остыло и современными приборами его трудно было обнаружить. Расчеты показали, что из всего спектра излучения только волны в сантиметровом диапазоне теоретически можно было обнаружить, но опять же в будущем, с появлением более чувствительных приборов. По этой причине большинство астрофизиков признали, что модель образования Вселенной в результате Большого взрыва имеет право на существование и обсуждение, но завоевать умы как полноценная и достаточно правдоподобная теория не в состоянии. Мало кто воспринимал ее всерьез до конца 1970 гг., когда было открыто так называемое реликтовое излучение — то самое излучение, которое дошло до нас с момента Большого взрыва.

В 1964 г. при настройке нового высокочувствительного радиотелескопа американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вилсон обнаружили, что в сантиметровом диапазоне радиоволн наблюдаются помехи. Они тщательно обследовали поверхность антенн радиотелескопа, но никаких следов экскрементов птиц, на которых они первоначально грешили, не обнаружили. Отчаявшись самим решить эту проблему, они пригласили группу математиков, которые дали заключение о том, что на принимаемые сигналы накладывается

Рис. 1. Темный газ. Созвездие Орла

какое-то фоновое излучение сантиметрового диапазона с температурой 3°К (как было предсказано Г.А. Га-мовым). Данное фоновое излучение оказалось тем излучением, которое осталось от Большого взрыва. Это было самое крупное открытие в космологии со времен открытия Э. Хабблом в 1929 г. общего расширения Вселенной. Теория Г.А. Гамова о горячей ранней Вселенной была подтверждена. В настоящее время это излучение носит название реликтового, по предложению советского астрофизика И.С. Шкловского. За открытие реликтового излучения А. Пензиас и Р. Вилсон были удостоены Нобелевской премии в 1978 г. В 2006 г. Нобелевская премия по физике была присуждена Дж. Мазеру и Дж. Смуту за открытие планковской формы спектра космического фонового излучения и анизотропии космического фонового излучения.

Открытие реликтового излучения сильно изменило отношение к теории Большого взрыва. Открытие предсказанного теорией объекта (в данном случае реликтового излучения) говорило о том, что это действительно теория, а не гипотеза. Интерес к теории Большого взрыва сильно возрос. Но, поверив в то, что Большой взрыв действительно был, ученые опять загнали себя в угол вопросом: какая дальнейшая судьба Вселенной? Начав расширение после Большого

Рис. 2. Созвездие Скорпион

взрыва, прекратит ли его Вселенная по истечении какого-то времени и начнет обратно сжиматься (закрытая Вселенная) или будет расширяться бесконечно (открытая Вселенная)? Проведя соответствующие расчеты астрофизики пришли к выводу, что дальнейшая эволюция Вселенной зависит от плотности вещества. Они вычислили так называемую критическую плотность вещества (рк). Если фактическая плотность (Рф) вещества Вселенной больше значения рк, то Вселенная через какое-то время прекратит расширяться и сменит его на сжатие до состояния сингулярности. Если (рк) > (рФ), то Вселенная будет расширяться бесконечно. Принимая в глобальном масштабе Вселенную однородной и подсчитав массу видимых космических объектов (галактик), ученые определили, что реальная плотность вещества Вселенной составляет примерно одну десятую от критической: (Рф)/(рк) = 0,1. Первые попытки подсчета плотности вещества Вселенной показали, что она значительно меньше критической и Вселенная должна расширяться бесконечно. Пытаясь уточнить плотность Вселенной, астрономы заметили, что галактики, судя по траекториям их движения и воздействию на соседние космические объекты, ведут себя как более массивные объекты, нежели это следует из подсчета масс, составляющих их звезд. Это заставило исследователей признать, что кроме видимой массы небесных тел есть еще темная масса и темная энергия. По подсчетам астрофизиков, на долю видимой массы в настоящее время приходится 4% общей массы Вселенной, на долю темной материи — 23%, а на долю темной энергии — 73%. Эти данные не дают окончательного ответа, как поведет себя Вселенная через несколько миллиардов лет: прекратит свое расширение или продолжит. Но, как сейчас выясняется,

эти два варианта не единственные сценарии развития Вселенной на ближайший десяток миллиардов лет. Альтернативный сценарий вырисовывается из последних открытий на Большом адронном коллайдере в CERN.

4 июля 2012 г. физики Европейской организации ядерных исследований (CERN) официально объявили об открытии новой частицы в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере. По сообщению ученых, эта частица очень похожа по своим свойствам на бозон Хиггса Стандартной модели, но по некоторым параметрам она не совсем точно соответствует ему. И вот, спустя семь месяцев, американский ученый Джозеф Ликкен из Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, ранее работавший на Большом адронном коллайдере, выступил с сенсационным заявлением: «конец света» наступит из-за бозона Хиггса. На собрании Американской ассоциации содействия развитию науки в Бостоне в феврале 2012 г. Джозеф Ликкен сообщил, что анализ бозона Хиггса подтвердил гипотезу о том, что Вселенная крайне нестабильна и в любой момент может произойти новый Большой взрыв. Окончательные выводы относительно бозона Хиггса и его роли в судьбе Вселенной пока делать рано.

Таким образом, теория и практика свидетельствуют о том, что Вселенная образовалась в результате Большого взрыва 13,7 млрд лет тому назад, в ходе эволюции происходили ее расширение и конденсация вещества, которые вначале привели к образованию лептонов и барионов, затем ядер и атомов водорода и гелия и, наконец, к образованию газово-пылевых туманностей, из которых возникли звезды и галактики. Дальнейшая судьба Вселенной пока не ясна.

ЛИТЕРАТУРА

Керрод Р. Космос. Иллюстрированный путеводитель. М.: Бертельсманн, 2008. 192 с.

UNIVERSE: ORIGIN AND EVOLUTION A.K. Korsakov

Сведения об авторе: Корсаков Анатолий Константинович — докт. геол.-минерал. наук, проф., зав. кафедрой РГГРУ.