Виктор Комаров - Занимательная астрофизика

Другой путь — построение моделей начальных фаз нашей Вселенной с помощью фундаментальных физических теорий. В основе этих теорий лежит огромный экспериментальный и наблюдательный материал, они прошли многократную практическую проверку, и в их справедливости не приходится сомневаться. Разумеется, когда мы распространяем эти теории за границы, в которых их применимость надежно доказана, экстраполируем их на необычные области явлений, полученные результаты не могут считаться абсолютно надежными. Тем не менее подобным методом приходится пользоваться, поскольку для познания прошлого у науки слишком мал выбор средств.

Более того, как отмечает в одной из своих статей Я. Б. Зельдович, требования современной космологии растут быстрее, чем накапливаются соответствующие экспериментальные данные. Поэтому космологам в своих теоретических изысканиях приходится пользоваться не только общепринятыми фундаментальными физическими теориями, но также и такими, которые еще нельзя считать достаточно строго обоснованными.

Создавая различные теоретические модели Вселенной, в том числе и ранних стадий ее расширения, и сопоставляя их с данными о современном состоянии Вселенной и ее объектов, полученными в результате астрономических наблюдений, ученые имеют возможность совершенствовать эти модели, вносить в них необходимые поправки и уточнения, отбрасывать предположения, вступающие в противоречие с современными данными, и таким образом постепенно восстанавливать картину эволюции от самых ранних ее этапов до нашей эпохи. При этом наибольший интерес представляют такие черты современной Вселенной, которые с полным правом можно назвать удивительными загадками.

Вот одна из них. Как уже говорилось выше, современная Вселенная в достаточно больших масштабах однородна и изотропна. Это значит, что свойства ее любых достаточно больших областей приблизительно одинаковы, а любые направления равноправны.

Но однородность Вселенной в больших масштабах требует специального объяснения. Дело в том, что никакие физические взаимодействия не могут распространяться со скоростью, превосходящей скорость света, которая, как известно, конечна и равна 300 000 км/с. Отсюда, между прочим, следует, что доступная непосредственному наблюдению область Вселенной всегда конечна. Мы не можем видеть объекты, удаленные от нас на такие расстояния, которые световой луч не успевает преодолеть за время существования Вселенной.

В связи с этим говорят о «горизонте», расширить который мы не можем никакими техническими ухищрениями: ведь он определяется не уровнем совершенства астрономических инструментов, а конечной скоростью распространения света. Хотя, разумеется, по мере старения Вселенной оптический горизонт постепенно отодвигается.

Но дело не только в том, что наличие горизонта в расширяющейся Вселенной ограничивает возможности наших астрономических наблюдений. Гораздо существеннее то, что на любой стадии расширения Вселенной в ней имеются такие точки, которые отделены друг от друга расстояниями, превосходящими расстояние оптического горизонта. Нетрудно сообразить, что между такими точками не может быть никакой причинной зависимости. Физические процессы, происходящие в одной из них, не могут оказывать никакого воздействия на события в другой. Образно говоря, любая из таких точек не может «знать», что творится в другой.

В частности, как показывают подсчеты, излучение, приходящее к нам из окраинных районов Вселенной, отстоящих друг от друга на угловое расстояние свыше 30 градусов, исходит из областей, разделенных расстояниями, превышающими оптический горизонт.

Между тем изучение информации, содержащейся в электромагнитных излучениях, свидетельствует о том, что физические параметры, характеризующие состояние материи у границ наблюдаемой Вселенной, везде приблизительно одинаковы.

Это крайне загадочно, ибо в равномерно расширяющейся Вселенной не может существовать никакого физического механизма выравнивания неоднородностей на расстояниях, превосходящих оптический горизонт.

Как же в таком случае объяснить однородность? Может быть, события, которые привели к выравниванию физических условий в расширяющейся Вселенной, развернулись уже на самых ранних стадиях ее существования?

К числу загадок нашей Вселенной относится и средняя плотность вещества, которая (если не учитывать возможного существования массы покоя нейтрино) сравнительно мало отличается от теоретического критического значения, составляющего, как мы уже знаем, 3·10-29 г/см3.

Как и всякое совпадение, это совпадение также требует своего объяснения…

Не исключено, что загадки, о которых идет речь, найдут свое объяснение в современной теории физического вакуума.

Вакуум — это скрытая форма существования вещества. Если говорить более строгим физическим языком — наинизшее энергетическое состояние всех физических полей, при котором нет реальных частиц. Но в то же время вакуум при определенных условиях может рождать реальные частицы и это происходит без нарушения законов сохранения.

Обладает вакуум и гравитационными свойствами. Но этой гравитации, в отличие от обычной, соответствуют не силы притяжения, а силы отталкивания, и она изменяется пропорционально первой степени расстояния.

В современной Вселенной гравитация вакуума либо полностью отсутствует, либо исчезающе мала. Однако при температуре, превосходившей температуру «Великого объединения», она достигала огромного значения. Это было состояние так называемого «ложного вакуума».

В процессе расширения наступил момент, когда гравитация вакуума превзошла гравитацию обычного вещества, и это должно было вызвать ускоренное расширение, «раздувание» Вселенной, сопровождавшееся стремительным уменьшением плотности обычного вещества и не менее стремительным понижением температуры.

Это «раздувание» происходило по экспоненциальному закону (типа ех), т. е. развивалось подобно тому, как растут в мире цены в соответствии со скоростью инфляции. Поэтому иногда «раздувающуюся» Вселенную называют «инфляционной» Вселенной. В этот период мог произойти фазовый переход от состояния «ложного вакуума» с огромной плотностью к состоянию «истинного вакуума» с нулевой или очень малой плотностью, при котором родилось огромное количество реальных частиц и античастиц.

Согласно теории, плотность «ложного вакуума» в «раздувающейся» Вселенной в точности равна критической. Поэтому и плотность вещества, возникшего в результате его распада, также должна быть равна критической плотности.

Что же касается однородности и «проблемы горизонта», то и она получает в теории вакуума вполне естественное объяснение. До начала «раздувания» Вселенной внутри общего горизонта в близких точках должна была установиться одинаковая температура. Но в период «раздувания», как показали расчеты, за очень короткий промежуток времени все пространственные размеры возросли примерно в 1043 раз. Благодаря этому близкие точки оказались стремительно разнесенными на огромные расстояния друг от друга. Расстояния, которые действительно превосходили бы расстояние горизонта видимости в том случае, если бы Вселенная все время расширялась в темпе, близком к современному.

Есть и еще одна проблема, связанная с прошлым и настоящим нашей Вселенной. Поскольку современная Вселенная в больших масштабах однородна, следовательно, была однородной и та горячая плазма, которая заполняла все пространство в период, предшествующий образованию небесных тел.

Однако эта однородность не могла распространяться на все без исключения масштабы. В этом случае образование небесных тел и их систем было бы невозможно и современная Вселенная целиком состояла бы из нейтрального газа, в который абсолютно однородная плазма неизбежно должна была бы превратиться по мере расширения и остывания.

Планеты, звезды, космические туманности, галактики, скопления и сверхскопления галактик могли образоваться лишь при условии, что в первичной плазме существовали неоднородности.

Как показывают расчеты, основанные на данных астрономических наблюдений, масса подобных неоднородностей должна была достигать 1015 солнечных масс. Именно таковы массы современных скоплений галактик. Что же касается различия между плотностью вещества неоднородностей и средней плотностью окружающей среды, то она должна была составлять десятые или сотые доли процента.

Итак, горячая плазма была не совсем однородной — в ней чередовались сгущения и разрежения. Но именно такая картина наблюдается в веществе, когда в нем распространяются звуковые волны. Следовательно, на одном из ранних этапов расширения в горячей плазме существовали звуковые волны и, видимо, это обстоятельство в значительной степени предопределило будущую структуру нашей Вселенной. По образному выражению советских астрофизиков — И. Новикова и В. Лукаша — «вся нынешняя структура Вселенной является своеобразным отзвуком, эхом тех звуковых волн, которые сопровождали начало расширения Вселенной, является раскатами тех громов, которые звучали тогда»[23]).