Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

В последние десятилетия развитие космологии и физики элементарных частиц позволило теоретически рассмотреть самую начальную, сверхплотную стадию расширения Вселенной, которая называется инфляционной.

Получается, что Вселенная рождалась в два приема, проходя стадию «увеличения объема», заполненного физическим полем, но не содержащего ни вещества, ни излучения, и стадию появления вещества и излучения и последующего образования из него звезд, галактик, планет и всего прочего.

До момента, который наступил примерно через миллион лет после начала расширения, Вселенная была непрозрачной для квантов света. Поэтому с помощью электромагнитного излучения нельзя заглянуть в предшествующую эпоху. На сегодняшний день это можно сделать только с помощью воображения и теоретических моделей. Очень долго (и окончательно споры еще не утихли) ученые обсуждали вопрос — почему окружающая природа состоит из материи, а не антиматерии и существуют ли антимиры во Вселенной?

В начале расширения Вселенной ее температура была столь высока, что энергии хватало для рождения пар всех известных частиц и античастиц.

Затем температура понизилась, так что почти все частицы и античастицы взаимно уничтожились — аннигилировали, превратившись в излучение. А фотоны, энергия которых к этому времени стала меньше, уже не могли порождать частицы и античастицы.

Наблюдения реликтового фона показали, что первоначальный избыток частиц по сравнению с античастицами составлял ничтожную миллиардную долю от их общего числа. Вот именно этих избыточных протонов и нейтронов и хватило на то, чтобы сформировать вещество современной Метагалактики. Так наш мир не превратился в Антимир.

В научном мире считается, что первые шаги в понимании загадки Большого взрыва сделал бельгийский ученый Жорж Анри Леметр. Правда, еще раньше петербуржец Александр Фридман нашел оригинальные решения уравнений теории относительности Эйнштейна, которые описывали удивительные пульсирующие миры, рождающиеся из загадочной точки первичной сингулярности. Однако следует помнить, что Фридман и по образованию, и по стилю научного мышления был прежде всего математиком. Поэтому он не довел свои вычисления до логического окончания — физической картины рождения Вселенной. Так что его можно было бы считать своеобразным предтечей современной космологии расширяющейся Вселенной, а вот титул отца-основателя, без сомнения, принадлежит Леметру.

Вселенная во младенчестве

В результате компьютерного моделирования дозвездный мир предстает нам в виде темных первичных «семян» плотной материи, погруженных в горячую плазму элементарных частиц. Причина, по которой из однородной среды образовались массивные тела (звезды, планеты, галактики и т. д.), кроется в силе гравитации. Там, где плотность была чуть выше средней, сильнее было и притяжение, значит, более плотные образования становились еще плотнее. Изначально однородная масса со временем разделилась на отдельные сгустки материи, из которых сформировались галактики.

Вселенная Большого взрыва

Считается, что наша Вселенная возникла примерно 13 миллиардов 700 миллионов лет назад в результате загадочного Большого взрыва. Его природа до сих пор неизвестна, хотя многие теоретики считают, что зародышем нашего мира могли стать энергетические волнения — флуктуации в «непустой пустоте» вакуума, которые и дали начало всему сущему.

Леметр предложил в качестве зародыша Вселенной объект конечных размеров, сверхмассивный первичный атом. Его взрыв порождает опять-таки сверхтяжелые и потому нестабильные осколки, фрагменты которых тоже должны делиться. Если принять во внимание количество частиц, которое, по современным оценкам, содержит Вселенная, то получится, что атом-отец и его потомки во множестве поколений должны претерпеть несколько сотен делений и на этом остановиться.

Однако такая схема даже семьдесят лет назад не могла вызвать доверия. В процессе множественных делений в конце концов должны были возникать максимально устойчивые атомы. А поскольку наиболее стабильными являются ядра атомов железа, то в космических масштабах именно оно должно было оказаться самым распространенным элементом. Однако в тридцатые годы прошлого века астрономы уже достоверно знали, что Вселенная почти полностью состоит из водорода и гелия. Несомненным достоинством модели Леметра было то, что она предсказала и объяснила закон Хаббла. Но данные об элементном составе Вселенной не согласовывались с теорией первичного атома. В масштабе Макромира концепция бельгийского ученого работала превосходно, а на микроуровне заводила в тупик.

Следующий этап исследования Большого взрыва связан с именем замечательного русского ученого Георгия Антоновича Гамова. Гамов познакомился с моделью нестационарной Вселенной еще на студенческой скамье, когда учился у Фридмана. По окончании Ленинградского университета он посвятил себя ядерной физике и выполнил несколько классических работ, в частности построил теорию альфа-распада и предложил капельную модель ядра. Впоследствии он эмигрировал и в своих исследованиях полностью переключился на астрофизику. Основываясь на работах Леметра, Гамов начал поиск решения проблемы возникновения в Большом взрыве окружающих нас химических элементов.

Поскольку расширение Вселенной приводит к ее постепенному охлаждению, сжатие должно вызывать обратный эффект. Поэтому, исследуя модель Леметра назад во времени почти до исходного момента, Гамов заключил, что сразу после рождения мира все имевшееся вещество было чрезвычайно нагрето. Это был огромный шаг вперед по сравнению с леметровским атомом, для которого понятие температуры вообще не имело смысла. Однако следовало еще определиться с составом первичной материи.

Гамов предположил, что ранняя Вселенная была заполнена элементарными частицами, включая протоны, нейтроны и электроны. Эту смесь он назвал айлемом, применив термин из средневекового английского языка, означавший нечто вроде первосубстанции, источника всего сущего. И на этот раз интуиция не подвела замечательного физика, ведь, по современным представлениям, к концу первой секунды Большого взрыва все известное нам вещество Вселенной полностью состояло из айлема.

Спустя некоторое время астрофизики, анализируя построения Гамова, пришли к выводу, что Вселенная должна быть заполнена микроволновым излучением, возникшим примерно через триста тысяч лет после ее начала. Это было предсказанием принципиально нового явления, еще неизвестного науке. Регистрация микроволнового излучения, осуществленная в шестидесятых годах прошлого века, оказалась сильным аргументом в пользу теории горячего рождения Вселенной.