Без рубрики

Как устроена Вселенная. Часть 2

Теорема Пенроуза относилась к звездам, и в ней ничего не говорилось о том, испытала ли Вселенная в прошлом большой взрыв? Если большой взрыв был, то должно быть и начало времени! За решение этого вопроса взялся Стивен Хокинг. Он применил теорему Пенроуза по отношению ко Вселенной, изменив направление времени на обратное, так, чтобы сжатие перешло в расширение. По теореме Пероуза конечным состоянием любой коллапсирующей звезды должна была стать сингулярность.

Если бы звезды были видны только лишь из одного места Земли,
туда бы стекалось больше паломников, чем куда-либо.

Римский философ Сенека.

О точке сингулярности

Согласно общей тории относительности (ОТО), на которой основаны решения Фридмана, Вселенная могла иметь особую точку – сингулярную. Сингулярность от лат singularis – отдельный, особый. Но было неясно: следует ли из ОТО, что у Вселенной должно было быть начало времени – большой взрыв?

Началом ответа на этот вопрос можно считать работу английского физика и математика Рождера Пенроуза, опубликованную в 1965 году. Ему удалось математически доказать, что при сжатии звезды под действием собственных сил гравитации, она ограничивается областью, поверхность которой сжимается до нуля. А раз поверхность этой области сжимается до нуля, то же самое происходит и с ее объемом. Все вещество звезды будет сжато в нулевом объеме, так что ее плотность и кривизна пространства-времени станут бесконечными. Иными словами, возникнет сингулярность в некой области пространства- времени, которую назвали «черной дырой» [1].

Теорема Пенроуза относилась к звездам, и в ней ничего не говорилось о том, испытала ли Вселенная в прошлом большой взрыв? Если большой взрыв был, то должно быть и начало времени! За решение этого вопроса взялся Стивен Хокинг. Он применил теорему Пенроуза по отношению ко Вселенной, изменив направление времени на обратное, так, чтобы сжатие перешло в расширение. По теореме Пероуза конечным состоянием любой коллапсирующей звезды должна была стать сингулярность. При обращении времени эта теорема утверждает, что в модели Фридмана начальным состоянием расширяющейся Вселенной тоже должна быть сингулярность. Хокинг вел в теорему Пенроуза в качестве условия требование, чтобы Вселенная была бесконечной в пространстве. Ему необходимо было доказать, что сингулярность должна существовать при условии, что Вселенная расширяется достаточно быстро, чтобы не началось повторное сжатие.

Дальнейшую работу Хокинг и Пенроуз продолжили совместно. В 1970 году они, исходя из общей теории относительности, доказали, что у Вселенной должна была быть сингулярная точка, и, следовательно, было начало времени. Из их доказательства следовало, что ОТО представляет собой неполную теорию, так как в ней нет ответа на вопрос: как возникла Вселенная, потому что все физические теории, и она сама нарушаются в точке возникновения Вселенной [2].

Предсказав наличие точки сингулярности, в которой плотность становится бесконечной (в случае черных дыр и в случае большого взрыва), ОТО сама предрекла свое поражение.

Итак, теория подтвердила наличие большого взрыва, в результате которого возникла наша Вселенная. В 1930-е годы среди ученых рассматривалась модель холодной Вселенной, в которой вещество существовало в виде холодных нейтронов. Однако, как выяснилось позднее, в такой Вселенной в результате цепочки ядерных реакций (с образованием протона, дейтерия и т. д.) все вещество, в конце концов, превратилось бы в гелий. Это противоречит наблюдениям, поскольку подавляющая часть вещества Вселенной состоит из водорода.

Горячая Вселенная Гамова

В 1948 году российский ученый Георгий Гамов предложил модель горячей Вселенной, расширив идею Фридмана о том, что первичное вещество было не только очень плотным, но и очень горячим [3].

Учитывая, что расширяющаяся Вселенная продолжает охлаждаться, можно экстраполировать ее температуру назад во времени. Это и было сделано. Оказалось, что в момент взрыва Вселенная была бесконечно плотной и горячей, в виде огненного шара. Надо сказать, что Георгий Гамов, выдающийся русский физик и астрофизик, который сотрудничал с Эйнштейном, Дираком, Ландау, в 1933 году, эмигрировал в США, из-за чего был лишен звания академика АНСССР и все прочих регалий. Даже в научных работах его имя было запрещено и на его работы нельзя было ссылаться. После перестройки запреты по поводу Гамова были сняты, и все научные регалии ему возвращены, но посмертно.

Идея горячей Вселенной Гамова состояла в том, что в горячем и плотном веществе ранней Вселенной происходят ядерные реакции, и в этом ядерном котле за несколько минут синтезируются все химические элементы. Это не совсем так, ибо, как выяснилось позже, в этом ядерном котле синтезируются только легкие элементы, а элементы тяжелее гелия синтезируются в звездах.

По мнению Гамова, вещество огненного шара представляло собой однородную горячую плазму, состоящую, в основном, из электронов и протонов, обильно перемешанных космическим излучением. Действительно, при повышении температуры до нескольких сотен градусов распадаются молекулы, а при дальнейшем ее росте постепенно разрушаются ядра. Эксперименты показали, что при температуре около 3000 градусов Кельвина электроны отрываются от ядер, которые примерно при миллиарде градусов распадаются на протоны и электроны (собирательно, нуклоны). С приближением к триллиону градусов нуклоны разбиваются на свои элементарные составляющие – кварки.

Чтобы понять состав огненного шара, надо знать, что происходит при высокоэнергичных столкновениях частиц. Именно с этой целью создаются ускорители элементарных частиц – коллайдеры. В коллайдерах частицы, направленные навстречу друг другу, разгоняются почти до скоростей, близких к скорости света и при столкновениях возникают необычные явления. Например, две частицы при столкновениях изменяют свой тип, и могут породить целый фейерверк из десятка новых части, разлетающихся из точки столкновения. Прекрасное подтверждение того, что энергия и масса взаимообратимы [4].

Нечто подобное, по мнению исследователей, происходило и в первые доли секунды после большого взрыва. В ранней Вселенной частицы безостановочно сталкиваются друг с другом, и огненный шар наполняется всеми типами частиц, какие только могут быть созданы в этих столкновениях.

Сегодня в Большом Адроном Коллайдере (БАК) под Женевой в результате столкновения встречных потоков протонов получено состояние праматери–легкая кварк-глюонная плазма, которая, по мнению исследователей , соответствует состоянию Вселенной через10-34 секунды после большого взрыва. Ученые почти приблизились к эпицентру акта творения.

Это безмассовое состояние праматери ученые надеются наделить массой. Это произойдет, если удастся получить протоны и электроны. Пока этого не произошло, хотя за счет столкновения ионов свинца исследователи сумели получить состояние Вселенной через 10-11 секунды после Большого взрыва, т.е. гораздо позднее. Это- безмассовая тяжелая кварк-глюонная плазма. Но материи пока нет.

Обратите внимание , о каких ничтожно малых промежутках времени идет речь. Дело в том, что формирование Вселенной и происходило за малые промежутки времени. Все самое главное укладывается в первую секунду. И этот чрезвычайно малый промежуток времени, за который, в основном была сформирована наша Вселенная, ученые условно разбили на так называемые «эпохи».

Эпохи формирования Вселенной

По современным представлениям наблюдаемая нами сегодня Вселенная возникла приблизительно 13,5-14 млрд. лет назад в результате Большого взрыва и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Мы уже знаем, что теория большого взрыва и горячей Вселенной не дает никаких объяснений тому, что предшествовало этому моменту, но она и не отрицает возможность существования чего-либо до взрыва. Согласно теории Фридмана в начальный момент времени расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю, а плотность и кривизна Вселенной должны были быть бесконечными.

Уравнения Фридмана можно использовать для определения температуры и плотности огненного шара в любой момент времени. Например, спустя одну секунду после Большого взрыва температура составляет 10 миллиардов градусов, а плотность — около 1 тонны на кубический сантиметр. Но к одной минуте Вселенная уже должна быть сформирована. И поскольку точка сингулярности существует, и большой взрыв был, то, значит, было и начало времени.

Именно это утверждал С