Книга: Черные дыры и вселенная

Почему вселенная такая?

Что происходило во Вселенной вблизи самой сингулярности при температурах гораздо выше 10¹³ кельвинов, рассмотренных нами в предыдущих разделах?

Мы уже познакомились раньше с тем общим методом, которым пытаются выяснить, что происходит вблизи самого начала космологического расширения. Для этого находят «следы» тех процессов, которые тогда происходили. Выше говорилось, что ярким «следом» процессов, происходивших в первые секунды после начала расширения, является химический состав дозвездного вещества — наличие 30 процентов гелия, возникшего в ту далекую эпоху. Теперь надо попытаться отыскать по возможности столь же явные «следы» еще более «древних» процессов.

Оказывается, что этими «следами» являются фундаментальные свойства Вселенной. Начнем с перечисления их, а затем посмотрим, следствием каких процессов они являются и как современная наука пытается объяснить возникновение этих загадочных свойств Вселенной. Мы увидим, что объяснение это поистине удивительно.

Первое загадочное свойство — это огромное количество фотонов реликтового излучения по сравнению с числом тяжелых частиц. Вспомним, что отношение этих чисел есть миллиард к единице. Почему такая гигантская разница?

Вторая загадка — почему Вселенная в больших масштабах очень однородна? Однородность, как мы знаем, надежно устанавливается по наблюдениям реликтового излучения, приходящего к нам с разных сторон и имеющего одинаковую интенсивность (не зависящую от направления). Это означает, что в прошлом, в момент, когда плазма превратилась в нейтральный газ и поэтому стала прозрачной и когда вышли реликтовые фотоны, наблюдаемые нами сегодня, точки, далеко разнесенные в пространстве, имели одинаковую температуру. Для той эпохи каждая такая точка лежала тогда вне горизонта видимости, очерченного вокруг другой точки. Поэтому точки были причинно не связаны, не могли за время расширения Вселенной обменяться сигналами. Как же в таком случае у них получились одинаковые температуры, если одна точка не может даже знать, какая температура у другой? Эта проблема получила название «проблемы горизонта».

Третья загадка — почему сегодня, спустя 10–20 миллиардов лет после начала расширения, плотность материи во Вселенной достаточно близка к критическому значению, а геометрические свойства пространства близки к свойствам плоского пространства? Ведь если в какой-то момент есть отличие плотности вещества от критического значения, то с течением времени отличие это увеличивается. Действительно, равенство плотности критическому значению означает точный баланс скорости расширения и сил тяготения. Если же этот баланс хоть немного нарушен, скажем, в пользу тяготения, то торможение расширения все сильнее будет нарушать баланс с течением времени. Поэтому, если сегодня плотность материи отличается от критической не более чем в несколько раз, то в прошлом тяготение и скорость должны были быть сбалансированы с ювелирной точностью. Можно подсчитать, что спустя секунду после начала расширения баланс мог нарушаться не более чем на одну десятитысячную миллиардной доли процента! Откуда взялась эта ювелирная балансировка?

Наконец, еще одна загадка — почему, несмотря на удивительную однородность Вселенной в очень больших масштабах, в меньших масштабах все же были в прошлом отклонения от однородности, небольшие первичные флуктуации, давшие затем начало галактикам и их системам? Это проблема возникновения первичных флуктуаций, и не каких-либо, а таких, которые в эпоху, близкую к нашей, привели к возникновению отдельных миров.

Ключ к решению этих проблем дали успехи физики элементарных частиц.

Проследим, как этим ключом отпираются запоры, охраняющие сокровенные тайны.

Известны четыре вида физических взаимодействий: сильные (или ядерные), электромагнитные, слабые (обусловливающие, например, радиоактивный распад) и гравитационные. Согласно современным представлениям эти виды взаимодействий проявляются как разные только при сравнительно малых энергиях, а при больших — объединяются в единое взаимодействие. Так, при энергиях порядка 10² гигаэлектронвольт (ГэВ), что соответствует температуре 10¹⁵ кельвинов, объединяются электромагнитные и слабые взаимодействия. При энергиях около 10¹⁴ ГэВ или температуре 10²⁷ кельвинов происходит так называемое «великое объединение», когда сливаются сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия. Наконец, при энергиях около 10¹⁹ ГэВ или температуре 10³² кельвинов, вероятно, к ним присоединяется и гравитационное взаимодействие («суперобъединение»).

Оставим пока в стороне возможность последнего объединения всех сил и гравитации и рассмотрим, к каким следствиям для космологии ведет теория «великого объединения».

Начнем с первой из перечисленных выше проблем. Читатель, возможно, был несколько удивлен, почему первая проблема считается загадкой. Что тут необыкновенного, если на миллиард реликтовых фотонов приходится одна тяжелая частица?

Необычность этого станет очевидной, если мы отправимся в прошлое к температурам 10¹³ кельвинов, когда, как мы знаем, все время рождалось и аннигилировало огромное количество пар частиц и античастиц. Среди них были и электроны и позитроны, были протоны и антипротоны, нейтроны и антинейтроны. Причем рожденных таким образом частиц каждого сорта было примерно столько, сколько реликтовых фотонов. «Кипящий котел», который мы рассматривали, содержал примерно одинаковое число частиц всех сортов и их античастиц.

Если бы число тяжелых частиц и античастиц (их называют барионами) было в точности одинаково для каждого сорта, то в ходе расширения они бы все проаннигилировали, превратившись в реликтовые фотоны и нейтрино, и во Вселенной, кроме реликтового излучения и нейтрино, вообще бы ничего не осталось! Не осталось бы вещества, из которого потом формировались звезды и планеты и мы с вами.

Но почему-то число частиц и античастиц было не в точности одинаково, но и не сильно отличалось друг от друга. На каждые миллиард пар частиц-античастиц приходилась одна «лишняя» тяжелая частица! Миллиард пар с понижением температуры проаннигилировали, а эта «лишняя» частица осталась. Из таких оставшихся частиц и возник весь окружающий нас сегодня мир — мир звезд, планет, газа.

Опять мы видим какую-то странную ситуацию: миллиард пар и одна лишняя частица. Откуда она взялась и почему одна на миллиард?

В этом и состоит проблема. До недавнего времени считалось, что если «лишней» частицы не было с самого начала, то она и не может возникнуть ни в каких реакциях. Считалось, что неизменным остается «барионный заряд» — так называют разность числа тяжелых частиц и античастиц. Теория «великого объединения» показала, что это не так, есть реакции, которые нарушают закон сохранения барионного заряда. Но в этих реакциях участвуют сверхтяжелые частицы. Это так называемые сверхтяжелые хиггсовские и калибровочные частицы. Такие сверхтяжелые частицы могут рождаться только при очень больших энергиях, поэтому и реакции с изменением барионного числа могут успешно идти только при очень больших энергиях. Для простоты изложения, чтобы показать главную идею, мы будем говорить об одной сверхтяжелой частице — сверхтяжелом X-бозоне. Масса этой частицы в энергетических единицах равна энергии «великого объединения» — 10¹⁴ ГэВ (в 10¹⁴ раз тяжелее протона), то есть X-бозоны могут эффективно рождаться при столь больших энергиях, соответствующих температуре 10²⁷ кельвинов. Такие температуры были во Вселенной при 10^–34 секунды после начала расширения. В это время (и при еще более высоких температурах) реакции с изменением барионного числа были столь же интенсивны, как и другие реакции.

Следующим важным обстоятельством является отсутствие симметрии между частицами и античастицами. Это означает, что темпы реакций с частицами и соответствующих реакций с античастицами, вообще говоря, несколько различны.

Теперь мы можем объяснить возникновение в ходе расширения горячей Вселенной одной «лишней» частицы на миллиард пар частиц-античастиц.

При температурах выше 10²⁷ кельвинов во Вселенной была сверхгорячая смесь всех фундаментальных частиц и точно такого же количества их античастиц, находящихся в термодинамическом равновесии. Никакого избытка «лишних» частиц не было. Если бы не было различия между свойствами частиц и античастиц и не было реакций с несохранением барионного числа, то при расширении Вселенной и падении температуры все пары тяжелых частиц и их античастиц проаннигилировали бы (ведь их одинаковое число!) и во Вселенной не осталось бы к нашему времени ни нейтронов, ни протонов — все превратилось бы в легкие частицы. Не было бы в сегодняшней Вселенной обычного вещества.

Но в действительности происходит следующее. Когда температура падает ниже 10²⁷ кельвинов, темп всех процессов с X-бозонами и их античастицами анти-X оказывается медленнее, чем темп расширения Вселенной. Эти частицы не успевают аннигилировать или распадаться, и их концентрация оказывается «замороженной». Только позже, когда пройдет достаточно времени, они будут распадаться. Этот процесс и является теперь ключевым для дальнейшего.

X-бозон, как и его античастица анти-X, могут распадаться с нарушением барионного заряда, причем X-частица и X-античастица распадаются не совсем одинаково. В результате, как показывает расчет, и возникает маленький избыток частиц над античастицами. Расчеты эти еще не очень точны, но они показывают, что число возникающих лишних частиц, вероятно, близко к одной на миллиард пар частиц-античастиц. Частицы и античастицы проаннигилируют в ходе расширения Вселенной, превратясь в конце концов в фотоны, которые вместе с имевшимися там фотонами и составят реликтовое излучение (напомним, что во Вселенной остаются также нейтрино), а избыток барионов останется. Вот он-то и является обычным веществом сегодняшней Вселенной. Ясно, что число фотонов по сравнению с «лишними» частицами будет приблизительно в миллиард раз больше.

Так решается первая проблема.

Обратимся теперь к трем другим. Согласно теории «великого объединения», во Вселенной при температуре порядка 10²⁷ кельвинов и больше было поле (его называют скалярным полем), которое обладало свойствами вакуума, рассмотренными нами в разделе «Гравитация пустоты». В частности, у этого поля было огромное «отрицательное давление» — натяжение, равное плотности энергии самого поля. Такое поле получило название «ложного вакуума». Отличие его от истинного вакуума, помимо всего прочего, в том, что соответствующая плотность «ложного вакуума» фантастически огромна — около 10⁷⁴ г/см³. Мы знаем, что плотности вакуума соответствует космологическая постоянная в уравнениях тяготения Эйнштейна. В ту эпоху такая постоянная (ее можно назвать вслед за «ложным вакуумом» — «ложной постоянной») также была огромна.

В начале расширения, при временах меньше 10^–34 секунды, температура во Вселенной была выше 10²⁷ кельвинов. Плотность «ложного вакуума» была 10⁷⁴ г/см³, но плотность горячих реальных частиц и античастиц обычной материи была еще выше. Поэтому тогда никак не проявлялись гравитационные свойства «ложного вакуума» и расширение Вселенной проходило по обычным законам. В ходе расширения плотность обычной материи уменьшалась и при 10^–34 секунды после начала расширения сравнялась с плотностью «ложного вакуума». Мы уже видели в разделе «Гравитация пустоты», насколько необычны гравитационные проявления вакуума. Его гравитация вместо притяжения вызывает отталкивание. Так случилось и в «эпоху 10³⁴» секунды. Гравитационное отталкивание вакуума заставляет мир расширяться ускоренно. Плотность «ложного вакуума» постоянна, она не уменьшается со временем, поэтому ускорение расширения тоже постоянно. Скорость расширения (скорость удаления друг от друга двух произвольных элементов среды) непрерывно нарастает (вместо затухания с течением времени, как это имеет место без гравитации вакуума под действием тяготения обычной материи), и очень быстро все размеры во Вселенной невероятно растягиваются и становятся огромными. Эта стадия ускоренного расширения получила название «раздувающейся» Вселенной. За период с 10^–34 секунды по 10^–32 секунды с начала расширения все размеры во Вселенной увеличились в 10⁵⁰ раз!

Но состояние «раздувающейся» Вселенной неустойчиво. Температура и плотность обычной материи стремительно уменьшаются при таком расширении. Вселенная становится переохлажденной. Плотность обычной материи становится совершенно пренебрежимой по сравнению с плотностью «ложного вакуума». В это время становится возможным фазовый переход из состояния «Ложного вакуума» с огромной плотностью, в конце концов, в состояние, когда вся плотность массы (и соответствующая плотность энергии) «ложного вакуума» переходит в плотность массы обычной горячей материи, а плотность истинного вакуума равна нулю или очень мала. Это означает, это из энергии, заключенной прежде в «ложном вакууме», возникает огромное количество частиц и античастиц обычной материи, обладающих большой энергией. Вселенная вновь разогревается до температуры около 10²⁷ кельвинов.

Деталей этого перехода мы здесь касаться не будем. Отметим только, что разогрев Вселенной происходит спустя, вероятно, 10^–32 секунды после начала расширения. За короткое время, с 10^–34 секунды по 10^–32 секунды, Вселенная невероятно ускоренно «раздувается» из-за гравитационного отталкивания «ложного вакуума». Так, если без стадии «раздувающейся» Вселенной эти расстояния до Вселенной увеличились бы всего в 10 раз, то при наличии такой стадии продолжительностью с 10^–34 секунды по 10^–32 секунды мир за то же время расширится в 10⁵⁰ раз! После этого начинается расширение согласно законам теории горячей Вселенной, с которой мы уже знакомы.

Процессы синтеза гелия и другие процессы, описанные нами, протекают много времени спустя после стадии «раздувающейся» Вселенной (сравните: 1 секунда — 300 секунд для синтеза гелия и 10^–34–10^–32 секунды для стадии «раздувающейся» Вселенной!) так, как описано в соответствующих разделах.

Стадия «раздувающейся» Вселенной сразу решает вторую проблему из перечисленных в начале этого раздела — проблему горизонта. Действительно, возьмем точки, которые вначале, до стадии «раздувания», лежат очень близко друг к другу внутри общего горизонта видимости для того момента. Между ними возможен обмен сигналами, выравнивание температуры и другие процессы. Затем, в результате стремительного растяжения в ходе «раздувания» точки оказываются разнесенными на гигантские расстояния. В нашу эпоху они лежат на огромных расстояниях, заметно превышающих расстояния до горизонта, если не учитывать стадии «раздувающейся» Вселенной. Поэтому после «раздувания» эти точки действительно не смогут обменяться сигналами, но до «раздувания» это было возможно.

Переход плотности «ложного вакуума» в плотность обычной материи в конце стадии «раздувающейся» Вселенной решает третью проблему. «Антигравитация» «ложного вакуума» заставляет возникающую из него обычную материю расширяться точно со «сбалансированной» скоростью. Можно сказать, что плотность вакуума в точности соответствует критической плотности для той эпохи и после фазового перехода плотность материи, естественно, тоже будет равна критической с огромной точностью.

Обратимся теперь к четвертой проблеме — к проблеме возникновения небольших первичных флуктуаций плотности, которые должны были существовать в среде сразу после окончания стадии «раздувающейся» Вселенной. Такие неоднородности должны возникнуть в результате рассматриваемых процессов уже в силу квантовой природы материи. Действительно, распад «ложного вакуума» в обычную материю можно сравнить с процессом квантового распада радиоактивного вещества. В таких процессах всегда возникают небольшие неоднородности. Так, при радиоактивном распаде вещества одни его части распадаются чуть раньше, другие чуть позже. Подобно этому квантовый распад «ложного вакуума» в одних местах произошел чуть раньше, в других чуть позже, и это привело к тому, что переход к расширению при действии тяготения образовавшейся горячей материи происходил в разных местах в несколько различные моменты времени, что и повлекло за собой возникновение небольших неоднородностей плотности. Это есть не что иное, как первичные звуковые колебания, которые потом, после длительной эволюции, и привели к возникновению галактик.

Так, теория «раздувающейся» Вселенной объясняет основные особенности окружающего нас мира.

Но эта теория дает целый ряд других интереснейших предсказаний.

Мы уже говорили, что исчезновение состояния «ложного» вакуума можно сравнить с фазовым переходом.

Явление фазового перехода нам знакомо, например, по процессу отвердения жидкости, превращения ее в твердое, кристаллическое состояние. При кристаллизации жидкости возможно возникновение в разных местах кристалликов с разной ориентацией осей кристаллической решетки. В результате в затвердевшей жидкости возникают разные области — домены, соприкасающиеся друг с другом.

Согласно новейшим результатам анализа процессов в ранней Вселенной, в ходе фазового перехода в «раздувающейся» Вселенной возникают тоже соприкасающиеся домены с разными свойствами. На границах доменов возникают всякие экзотические частицы и образования. Например, там могут появляться так называемые магнитные монополи. Это частицы, несущие изолированный магнитный заряд, подобно тому, как электроны или протоны несут изолированный электрический заряд. Только магнитный монополь должен быть сверхтяжелым, в 10¹⁶–10¹⁷ раз тяжелее протона! Такие частицы не могут создаваться в современной Вселенной, для их образования не хватает энергии. Магнитные монополи экспериментально пока не открыты. Но на границах доменов в «раздувающейся» Вселенной их должно быть много. Давайте проследим, что будет с возникшим доменом в ходе дальнейшей эволюции Вселенной.

Домены рождаются в «эпоху 10^–34 секунды» после начала расширения. И размер каждого домена около 10^–34 световой секунды, или около 10^–24 сантиметра. Затем, в эпоху «раздувания» Вселенной, его размер увеличивается в 10⁵⁰ раз, то есть до 10²⁶ сантиметров (напомним, что это уже 10 миллионов световых лет!).

Стадия «раздувающейся» Вселенной заканчивается к 10^–32 секунды. После этого Вселенная расширяется по более привычным законам, тормозясь обычным тяготением. Размеры в ней к нашему времени увеличиваются еще примерно в 10²⁵ раз. Значит, размер домена будет примерно 10⁵¹ сантиметров. Это колоссальное число — около 10³³ световых лет. Напомню, что размер наблюдаемой области Вселенной «всего» около 10¹⁰ световых лет! Никакой сигнал, выпущенный во Вселенной после стадии «раздувания», не успевает пройти больше 10¹⁰ световых лет. Это горизонт видимости, о котором мы говорили.

Следовательно, если домены как следствие фазовых переходов в далеком прошлом Вселенной существуют, то они огромны. Мы живем в одном из таких доменов, где-то внутри его. Стенки, отделяющие «наш» домен от других, лежат от нас, вероятно, на расстоянии около 10³³ световых лет! Внутри домена распределение вещества в больших (по нашим меркам) масштабах однородно. На стенках множество монополей и другой «экзотики». А за стенкой — другой мир.

Не правда ли, мы пришли к интереснейшей и удивительной картине?

Наша однородная Вселенная в невероятно больших масштабах далеко за горизонтом видимости снова оказывается неоднородной! Та Вселенная, о которой мы говорили, есть «только» наш домен.

Как не обратиться здесь к опыту истории астрономии. Все системы мира, созданные в разные эпохи, претендовали на описание всего мира, всей Вселенной, но на деле оказывались моделью конкретных астрономических систем. Система мира Аристотеля и Птолемея правильно отображала особенности Земли как небесного тела — ее шарообразность, движение Луны вокруг Земли. Все остальное в системе оказалось ошибочным. Система мира Коперника была моделью Солнечной системы. Вселенная Гершеля — модель нашей Галактики. Теперь, вполне возможно, свойства мира скоплений галактик также описывают «только» наш домен.

Поистине неисчерпаемы свойства окружающей нас материи, и столь же неисчерпаемо могущество человеческого ума, познающего ее свойства.

Все вопросы этого раздела мы обсуждали на рабочем совещании в Кембридже, о котором говорилось выше. Из осторожности надо еще раз подчеркнуть, что рассказанное — самый передний край, на котором ведет бой современная наука. Многое еще может уточняться, многое неизвестно.

Так, неизвестно, что было еще ближе к сингулярности. Ясно только, что при временах меньше чем 10^–45 секунды после сингулярности распадалось на кванты время и пространство. Но что, как и почему происходило — об этом пока только догадки.

А что было до начала расширения? Об этом достоверно ничего не известно. Можно было бы привести кое-какие догадки. Но это пока еще не наука. И летать на крыльях фантазии без твердого управления наукой в книге, конечно, можно, но это уже в книге совсем иного рода, чем данная.