Физика

ТАК НАЧИНАЛАСЬ ВСЕЛЕННАЯ

Сначала невооруженным глазом, а затем с помощью оптических приборов люди с древнейших времен наблюдали за природными процессами и явлениями, космическими телами и различного рода излучениями, строили теории о происхождении Вселенной. Стремительный прорыв в разгадку ее тайн произошел в последней трети XX в. благодаря совершенствованию технических средств наблюдения, выходу человека в космос.

О последних достижениях космологии и новых возможностях экспериментаторов рассказывает один из ведущих специалистов страны в этой области, главный научный сотрудник Астрономического центра ФИАН, директор Центра теоретической астрофизики (Копенгаген, Дания), член- корреспондент РАН И.Д. Новиков.

Еще в 1922-1924 гг. российский ученый А.А. Фридман, работая с уравнениями нобелевского лауреата, почетного члена АН СССР А. Эйнштейна, теоретически предсказал: Вселенная расширяется, а в 1929 г. американский астроном Э.П. Хаббл подтвердил это наблюдениями и установил закономерность разлета галактик.

Говоря о расширяющейся Вселенной, обычно приводят следующую аналогию. Представьте себе, что галактики - отдельные метки на поверхности резинового шара; если его раздувать, то расстояние между ними увеличивается. Такая двумерность хорошо вписывается в систему координат французского математика и механика, иностранного члена Петербургской АН Ж. Лагранжа(1736-1813), которая очень удобна при компьютерных вычислениях.

Скорость взаимного удаления галактик в настоящий момент хорошо измерена, и значит, определен темп расширения Вселенной.

Основываясь на этих данных, мы можем без особой ошибки предположить, что все началось примерно 15 млрд. лет назад.

Далее И.Д. Новиков подробно описывает весь процесс происходящего. В нулевом цикле вещество было очень плотным, почти однородным и безумно горячим. По мере его расширения температура материи стала падать и в первые минуты уменьшилась примерно до 1 млрд. К. В это время синтезировались легкие химические элементы, тяжелые же появились гораздо позже - уже в звездах.

Спустя примерно 300 тыс. лет, когда температура материи понизилась до 3-4 тыс. К, произошла так называемая рекомбинация горячей плазмы - превращение ее в нейтральный газ. Разумеется, никаких звезд и галактик тогда не было, они образовались в эпоху, близкую к нашей, поскольку в процессе эволюции возникли и из-за гравитационной неустойчивости увеличивались неоднородности космического вещества.

Что же послужило причиной расширения Вселенной, тем первотолчком, от которого материя получила начальные скорости? Да, плазма была очень горячей и, соответственно, давление в ней - огромным, однако это ничего не объясняет. Дело в том, что для начала процесса необходим перепад между внутренним состоянием вещества и внешним, а этого не было. Скажем, при взрыве бомбы чрезвычайно плотные горячие газы имеют очень большое давление по сравнению с атмосферным, что и является причиной появления гидродинамической силы, способствующей разлету осколков (той же материи).

Во Вселенной же никакого пространства вне ее не существовало, материя оставалась однородной. Следовательно, речь о каких-либо перепадах давлений просто не может идти. И значит, сама по себе большая температура не способствует появлению первоначальных скоростей разлетающегося вещества.

Некоторые догадки на этот счет в середине 60-х годов XX в. высказал доктор физико-математических наук Э.Б. Глиннер. По его предположению, вначале материя находилась в так называемом вакуумном состоянии, т.е. у нее было огромное давление, но только отрицательное. Данное явление можно сравнить с простым натяжением, существующим, например, в растянутой резине.

Давление со знаком минус было распределено во Вселенной равномерно, и никакой гидродинамической силы вызвать не могло. Однако дело в том, что вакуумное состояние материи создает гравитационное отталкивание, подобно взаимодействию двух одинаково заряженных электрических частиц. Именно это, по мнению Э.Б. Глиннера, и стало причиной первотолчка.

Вначале идея ученого казалась абсурдом, однако дальнейшие исследования подтвердили право на ее существование, сейчас же она общепризнана.

Со временем, поясняет И.Д. Новиков, Вселенная продолжала расширяться все быстрее и быстрее, чему способствовало гравитационное отталкивание. Изначально, когда она только- только возникла, ее размер был ничтожно мал - всего 10' 33 см, т.е. на 20 порядков меньше атомного ядра, зато плотность оказалась гигантской - 10 93 г/см; а вот полная масса вещества составляла всего 10 -5 - 10 -6 г. Затем объем ее становился все больше, причем очень быстро, плотность фактически не менялась, в результате масса материи постоянно возрастала.

Но инфлантон (так ученые назвали вакуумную материю) был весьма неустойчив и через ничтожную долю секунды (10 - 36 с) распался на кванты, превратившись в горячую плазму - обычную материю. Это и был естественный процесс рождения нашей горячей Вселенной. Всего за мгновение, которое невозможно даже представить, она "раздулась" в невероятное число раз - 10 10 (это единица с миллиардом нулей) и стала гораздо больше, чем та ее часть, которую мы сейчас наблюдаем и исследуем.

Таковы выводы ученых, основанные на самой современной, очень сложной физико-математической теории. Однако они должны быть подтверждены результатами соответствующих экспериментов, наблюдений. Возможно ли это в данном случае? Оказывается, да.

Ничто в природе не исчезает бесследно, и во Вселенной сохранились явные следы очень ранней эпохи ее эволюции. Наибольшую информацию об этом содержит открытое в 1965 г. слабое электромагнитное излучение, которое принято называть реликтовым (другое название - космический микроволновый фон). Оно может поведать о первых моментах расширения Вселенной, и, расшифровав эти данные, мы подтвердим или опровергнем выводы теории.

Реликтовое излучение приходит со всех сторон на Землю почти с одинаковой интенсивностью, вариации которой крайне малы и составляют примерно одну стотысячную долю от самой температуры, равной 3 К. Наши специалисты в 80-х годах XX в. впервые попытались провести измерение флуктуации излучения с искусственного спутника "Реликт", однако зафиксировать их удалось только в 1989 г. американскому космическому аппарату "Коби". Публикации об этих экспериментах появились в 1992 г., который и считается годом открытия флуктуации реликтового излучения.

Несмотря на обнаружение самого явления, первые его наблюдения, проводимые приборами, обеспечивающими разрешение всего 7, давали о нем весьма неполную информацию. Для этих целей в дальнейшем использовали как наземные, так и "летающие" радиотелескопы - последние поднимали на воздушных шарах в верхние слои атмосферы. Наконец, в 2000 г. стали известны результаты других измерений реликтового излучения, проводимых с гораздо лучшим угловым разрешением, чем на упомянутом "Коби", и подтверждающих приводимые выше теоретические выводы. Первым удачным экспериментом стал проект "Бумеранг" (Италия), когда радиотелескоп запускали на баллоне, затем были и другие.

При рассмотрении дальнейших направлений исследований И.Д. Новиков не обошел вниманием и наш эксперимент - "Космологический ген", который предполагают провести с использованием самого мощного в мире рефлекторного радиотелескопа - РАТАН-600, имеющим зеркало диаметром 600 м. Его реализация, по мнению ученого, позволит получить большой объем интересующей информации даже раньше выполнения международного космического проекта "Планк", намеченного на 2003 г., - самого мощного в XXI столетии.

Далее И.Д. Новиков дал оценку ряду физических параметров, заключенных в реликтовом излучении, которые можно измерить и сопоставить с теоретическими предсказаниями. Один из таковых (обозначим его ) характеризует общую кривизну трехмерного пространства Вселенной и зависит от соотношения между плотностью материи и скоростью ее расширения. Здесь данные теории и наблюдений практически совпадают, в первом случае =1, во втором =1,08 +/- 0,06.

Другой параметр (n) отражает зависимость между размерами небольших неоднородностей, возникших во Вселенной сразу после ее рождения, и их амплитудой. В данном случае теория предсказывает: относительная амплитуда этих неоднородностей не должна зависеть от их размеров и во всех масштабах оставаться неизменной, т.е. n должен равняться 1, что находится в пределах погрешностей измерений и подтверждается практикой.

Столь согласованное совпадение теоретических расчетов и прямых астрономических наблюдений позволяет утверждать: в самом начале существования Вселенной действительно был инфляционный период. Он начался, по-видимому, через 10 -43 сек с момента ее рождения. Но тогда закономерен вопрос: а что же было раньше?

К сожалению, ответа на него пока нет, хотя, как считает ученый, определенные мнения все-таки имеются. Скажем, по современным представлениям, инфляции предшествовало квантовое состояние Вселенной (оно характеризуется промежутком времени менее 10 -43 с и размером не более 10 -33 см), когда пространство и время не могли рассматриваться как непрерывные величины, а только как отдельные кванты, и все это находилось в состоянии, образно говоря, кипения вакуума, причем его плотность была чрезвычайно высока - 10 93 г/см. Кроме того, пространство - его размерность и топология - менялось причудливейшим квантовым образом.

Процессы, происходившие при этом во Вселенной, ученые пытаются понять, используя самые современные и мощные компьютеры. И.Д. Новиков приводит один из многочисленных результатов расчетов, выполненных в системе координат, которая раздувается вместе с веществом. Они показали: из-за квантовых флуктуации в различные моменты времени случайным образом происходит превращение "кипящего вакуума" в отдельные пузыри раздувающихся вселенных. Некоторые из них подобны нашей, другие могут иметь совершенно иные физические свойства и развиваться по самым разнообразным законам. Ну а на экране дисплея при этом, продолжает ученый, все менялось очень быстро. Возникали и росли "пузыри-вселенные", и вдруг, повинуясь каким-то неведомым законам, они неожиданно взрывались, вновь переходя в квантовое состояние "кипящего вакуума". Такая картина не имеет ни границ, ни пределов. Это вечное кипение, рождение новых галактик и их умирание. Именно так видит современная наука начало и дальнейшее развитие бесконечного Мира.

А. К. МАЛЬЦЕВ