Большой взрыв

Большой взрыв

Что было до большого взрыва? Дело в том, что не было никакого «до».

Господин Никто (Mr. Nobody)

Пойдем дальше. Если Вселенная расширяется, то это значит, что раньше она находилась в более плотном состоянии. Проведем экстраполяцию назад по времени в соответствии с решениями Фридмана. В конечном итоге все физические и геометрические характеристики обратятся в бесконечность. Это состояние называется космологической сингулярностью, которая мыслится как некая «точка», где даже понятия пространства и времени не имеют смысла. Однако в предельном смысле сингулярность относят к моменту времени t = 0, с которого начинается «история» фридмановских вселенных. В следующие мгновения скорости разлетающихся частиц чрезвычайно велики, поэтому процесс называют Большим взрывом, к обсуждению которого мы еще вернемся. А сейчас важно обратить внимание на следующее. Основы современной космологии, заложенные в 20–30-х годах прошлого столетия Фридманом, Леметром, Хабблом и многими другими, остаются фундаментом современной науки. Но признаемся честно – многие наши современники, даже те, кто интересуется достижениями и развитием науки, эти основы понимают порой превратно. Повседневный бытовой опыт мешает правильно понять реальное устройство мира. Большой взрыв часто воспринимается как взрыв, аналогичный взрыву бомбы, а современное расширение – как разлет остатков такого рода взрыва. Эта аналогия ошибочна, и мы сейчас обсудим это.

Чтобы представить расширение открытого мира, уместно проводить сравнение с расширением некой бесконечной эластичной простыни. Чтобы представить расширение замкнутого мира, нужно представить надувной шарик. Эти примеры встречаются в каждой соответствующей популярной статье или книжке, но едва ли можно придумать что-то более наглядное. Остановимся на замкнутом мире и обсудим 2-мерное пространство поверхности шарика с равномерно нанесенными на нее метками. Представим, что нет пространства вне шарика. Мало того, нет пространства и внутри шарика. Есть только его поверхность! Такой объект безграничен, но не бесконечен (площадь 2-сферы конечна), точно так же, как 3-мерная сфера замкнутого мира Фридмана. Тогда лучи света будут распространяться по поверхности 2-сферы (им некуда деваться, потому что ничего нет, кроме нее), и, находясь на ней, можно наблюдать все, что происходит даже с противоположной стороны. Шарик начинают надувать, его поверхность увеличивается. Метки на шарике разбегаются друг от друга. Что увидит наш 2-мерный наблюдатель? Хотя плотность меток со временем уменьшается, но в каждый момент времени их распределение будет оставаться однородным. Для всех наблюдателей, помещенных в разные точки поверхности, все метки во всех направлениях убегают одинаково. Это – изотропия!

Причем, чем дальше метка от наблюдателя, тем быстрее она от него бежит. И, конечно, на поверхности нет никакого выделенного центра расширения! Качественно такая же модель расширения имеет место для 3-мерного пространства Вселенной.

Научный термин «Большой взрыв» сразу ассоциируется с представлением об обычном взрыве. Но это совершенно неверное сравнение. Что такое взрыв гранаты или бомбы? Возгорание взрывчатки создает внутреннее давление, которое значительно превышает внешнее давление атмосферы. За счет этого вещество снаряда разлетается во все стороны. В такой модели есть выделенный центр, а поэтому чрезвычайно неоднородны и давление, и распределение вещества. Кроме того, нет изотропии – детекторы, расположенные в разных точках пространства зарегистрируют различную картину распределения скоростей разлетающихся частиц, как по направлениям, так и по величине. Высокая степень однородности и изотропии в нынешней картине расширения Вселенной требует еще большей их степени в эпоху Большого взрыва. Все вместе говорит о том, что в модели Большого взрыва нет выделенного центра – точки, откуда могло бы что-то разлетаться! То есть Большой взрыв от взрыва обычного отличается принципиально.

Теперь вернемся к понятию космологической сингулярности, мыслимой как некая исходная «точка». Поскольку какого-то выделенного центра нет, ее нельзя представить как «точку», помещенную в какое-то внешнее пространство. Это объект «сам по себе» и содержащий в себе еще не возникшие пространство и время. Здесь, конечно, речь о внешнем пространстве той же размерности, что и наша Вселенная. Тогда, давайте, поместим нашу Вселенную («точку») в пространство большей размерности, и там ее «взорвем», как бомбу. Но при этом необходимо признать, что должно быть воздействие внешнего пространства на наше внутреннее и наоборот. Пока такого

«взаимодействия» не зарегистрировано, хотя очень активно возможности его проявления и анализируются, и проводятся соответствующие эксперименты. Кроме того, если мы разлетаемся из-за «реального» взрыва в пространстве большей размерности, то в раннюю эпоху его влияние на нашу Вселенную должно было быть чрезвычайным, и это влияние должно было бы оставить след. Но как показывают космологические исследования, нет необходимости привлекать такого рода экзотические силы, чтобы объяснять явления ранней Вселенной.

Наличие сингулярности в теории долгие годы вызывало и вызывает активную критику. Действительно, смещаясь назад по времени, исследователь достигает таких огромных значений физических характеристик, при которых физика явлений просто неизвестна. Поэтому говорить, что расширение началось с сингулярности, строго говоря, нельзя. Что служит разумным ограничением для предельных значений? С построением квантовой механики к двум основным физическим постоянным, о которых мы уже говорили – гравитационной G ? 6,67 · 10^–8 см³/г·с² и скорости света с ? 3 · 10¹⁰ см/с, добавилась третья – постоянная Планка h ? 3,32 · 10^–27 г · см²/с = 3,32 · 10^–34 Дж · с. С их помощью, с использованием всех трех, стало возможным построение любой физической величины любой размерности, а значение такой величины получило название планковской. Таким образом, планковские масштаб и время имеют значения l ~ 10^–33 см и t ~ 10^–43 с. Существуют также планковские плотность, давление и т. д.

Современная физика не может определенно сказать, что происходит на масштабах и в промежутки времени меньше планковских, или при плотностях, давлениях и т. д. – больше планковских. Таким образом, обычно историю развития Вселенной начинают исследовать с некоторого сверхплотного «зародыша», имеющего планковские характеристики. Конечно, вопрос появления самого «зародыша» есть и будет предметом дальнейших исследований.

Например, на основе тех же квантовых представлений при некоторых предположениях предлагаются модели рождения «из ничего». Их основное содержание в том, что Вселенная начинает развиваться из квантовой флуктуации. Важно отметить, что именно модели Фридмана с замкнутым пространством оказываются более подходящими для сценариев квантового рождения Вселенной. Подробнее об этой возможности мы поговорим в главе о гравитационной энергии.

Подведем некоторый итог. Конечно, понятие «Большой взрыв» принципиально отличается от обычных взрывов. Кроме того, это не одномоментное явление, которое происходит в виде разлета начальной сингулярности, а, скорее, самый ранний период в истории Вселенной, который начинается с планковских масштабов.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.