в современную научную картину мира.
3.4. Модель "Горячей вселенной"
Принципиально новый этап в развитии современной эволюционной
космологии связан с именем американского физика Г.А.Гамова (1904-1968),
благодаря которому в науку вошло понятие горячей Вселенной. Согласно
предложенной им модели «начала» эволюционирующей Вселенной «первоатом»
Леметра состоял из сильно сжатых нейтронов, плотность которых достигала
чудовищной величины - один кубический сантиметр первичного вещества весил
миллиард тонн. В результате взрыва этого «первоатома» по мнению Г.А.Гамова
образовался своеобразный космологический котел с температурой порядка трех
миллиардов градусов, где и произошел естественный синтез химических
элементов. Осколки первичного яйца - отдельные нейтроны затем распались на
электроны и протоны, которые, в свою очередь, соединившись с нераспавшимися
нейтронами, образовали ядра будущих атомов. Все это произошло в первые 30
минут после «Большого Взрыва.
Горячая модель представляла собой конкретную астрофизическую
гипотезу, указывающую пути опытной проверки своих следствий. Гамов
предсказал существование в настоящее время остатков теплового излучения
первичной горячей плазмы, а его сотрудник Герман еще в 1948 г. довольно
точно рассчитал величину температуры этого остаточного излучения уже
современной Вселенной. Однако Гамову и его сотрудникам не удалось дать
удовлетворительное объяснение естественному образованию и
распространенности тяжелых химических элементов во Вселенной, что явилось
причиной скептического отношения к его теории со стороны специалистов. Как
оказалось, предложенный механизм ядерного синтеза не мог обеспечить
возникновение наблюдаемого ныне количества этих элементов.
3.5. Модель "Холодной вселенной"
Ученые стали искать иные физические модели «начала». В 1961 году
академик Я.Б. Зельдович выдвинул альтернативную холодную модель, согласно
которой первоначальная плазма состояла из смеси холодных (с температурой
ниже абсолютного нуля) вырожденных частиц - протонов, электронов и
нейтрино. Три года спустя астрофизики И.Д. Новиков и А.Г. Дорошкевич
произвели сравнительный анализ двух противоположных моделей космологических
начальных условий - горячей и холодной и указали путь опытной проверки и
выбора одной из них. Было предложено с помощью изучения спектра излучений
звезд и космических радиоисточников попытаться обнаружить остатки
первичного излучения. Открытие остатков первичного излучения подтверждало
бы правильность горячей модели, а если таковые не существуют, то это будет
свидетельствовать в пользу холодной модели.
3.6. Открытие реликтового излучения
В конце 60-х годов группа американских ученых во главе с Р. Дикке
приступила к попыткам обнаружить реликтовое излучение. Но их опередили Л.
Пепзиас и Р. Вильсон, получившие в 1978 г. Нобелевскую премию за открытие
микроволнового фона (это официальное название реликтового излучения) на
волне 7,35 см.
Примечательно, что будущие лауреаты Нобелевском премии не искали
реликтовое излучение, а в основном занимались отладкой радиоантенны, для
работы по программе спутниковой связи. С июля 1964 г. по апрель 1965 г они
при различных положениях антенны регистрировали космическое излучение,
природа которого первоначально была им не ясна. Этим излучением и оказалось
реликтовое излучение.
Таким образом, в результате астрономических наблюдений последнего
времени удалось однозначно решить принципиальный вопрос о характере
физических условий, господствовавших на ранних стадиях космической
эволюции: наиболее адекватной оказалась горячая модель «начала». Сказанное,
однако, не означает, что подтвердились все теоретические утверждения и
выводы космологической концепции Гамова. Из двух исходных гипотез теории -
о нейтронном составе «космического яйца» и горячем состоянии молодой
Вселенной - проверку временем «выдержала «только «последняя, указывающая на
количественное преобладание излучения над веществом у истоков ныне
наблюдаемого космологического расширения.
СОВРЕМЕННАЯ НАУКА О ПРОИСХОЖДЕНИИ ВСЕЛЕННОЙ
4.1. Тепловая история или сценарий образования крупномасштабной
структуры Вселенной
На нынешней стадии развития физической космологии на передний план
выдвинулась задача создания тепловой истории Вселенной, в особенности
сценария образования крупномасштабной структуры Вселенной. Последние
теоретические изыскания физиков велись в направлении следующей
фундаментальной идеи: в основе всех известных типов физических
взаимодействий лежит одно универсальное взаимодействие; электромагнитное,
слабое, сильное и гравитационное взаимодействия являются различными гранями
единого взаимодействия, расщепляющегося по мере понижения уровня энергии
соответствующих физических процессов. Иначе говоря, при очень высоких
температурах (превышающих определенные критические значения) различные типы
физических взаимодействий начинают объединяться, а на пределе все четыре
типа взаимодействия сводятся к одному единственному протовзаимодействию,
называемому «Великим синтезом».
Согласно квантовой теории то, что остается после удаления частиц
материи (к примеру, из какого-либо закрытого сосуда с помощью вакуумного
насоса), вовсе не является пустым в буквальном смысле слова, как это
считала классическая физика. Хотя вакуум не содержит обычных частиц, он
насыщен «полуживыми», так называемыми виртуальными тельцами. Чтобы их
превратить в настоящие частицы материи, достаточно возбудить вакуум,
например, воздействовать на него электромагнитным полем, создаваемым
внесенными в него заряженными частицами.
Но что же все таки явилось причиной «Большого Взрыва»? Судя по данным
астрономии физическая величина космологической постоянной, фигурирующей в
эйнштейновских уравнениях тяготения, очень мала, возможно близка к нулю. Но
даже будучи столь ничтожной, она может вызвать очень большие
космологические последствия. Развитие квантовой теории поля привело к еще
более интересным выводам. Оказалось, что космологическая постоянная
является функцией от энергии, в частности зависит от температуры. При
сверхвысоких температурах, господствовавших на самых ранних фазах развития
космической материи, космологическая постоянная могла быть очень большой, а
главное, положительной по знаку. Говоря другими словами, в далеком прошлом
вакуум мог находиться в чрезвычайно необычном физическом состоянии,
характеризуемом наличием мощных сил отталкивания. Именно эти силы и
послужили физической причиной «Большого Взрыва» и последующего быстрого
расширения Вселенной.
Рассмотрение причин и последствий космологического «Большого Взрыва»
было бы не полным без еще одного физического понятия. Речь идет о так
называемом фазовом переходе (превращении), т.е. качественном превращении
вещества, сопровождающимся резкой сменой одного его состояния другим.
Советские ученые-физики Д.А. Киржниц и А.Д. Линде первыми обратили внимание
на то, что в начальной фазе становления Вселенной, когда космическая
материя находилась в сверхгорячем, но уже остывающем состоянии, могли
происходить аналогичные физические процессы (фазовые переходы).
Дальнейшее изучение космологических следствий фазовых переходов с
нарушенной симметрией привело к новым теоретическим открытиям и обобщениям.
Среди них обнаружение ранее неизвестной эпохи в саморазвитии Вселенной.
Оказалось, что в ходе космологического фазового перехода она могла достичь
состояния чрезвычайно быстрого расширения, при котором ее размеры
увеличились во много раз, а плотность вещества оставалась практически
неизменной. Исходным же состоянием, давшим начало раздувающейся Вселенной,
считается гравитационный вакуум. Резкие изменения, сопутствующие процессу
космологического расширения пространства характеризуются фантастическими
цифрами. Так предполагается, что вся наблюдаемая Вселенная возникла из
единственного вакуумного пузыря размером меньше 10 в минус 33 степени.
Вакуумный пузырь, из которого образовалась наша Вселенная, обладал массой,
равной всего-навсего одной стотысячной доле грамма.
4.2. Теория о раздувающейся Вселенной
В настоящее время еще нет всесторонне проверенной и признанной всеми
теории происхождения крупномасштабной структуры Вселенной, хотя ученые
значительно продвинулись в понимании естественных путей ее формирования и
эволюции. С 1981 года началась разработка физической теории раздувающейся
(инфляционной) Вселенной. К настоящему времени физиками предложено
несколько вариантов данной теории. Предполагается, что эволюция Вселенной,
начавшаяся с грандиозного общекосмического катаклизма, именуемого «Большим
Взрывом», в последующем сопровождалась неоднократной сменой режима
расширения.
Согласно предположениям ученых, спустя 10 в минус сорок третьей
степени секунд после «Большого Взрыва» плотность сверхгорячей космической
материи была очень высока (10 в 94 степени грамм/см кубический). Высока
была и плотность вакуума, хотя по порядку величины она была гораздо меньше
плотности обычной материи, а поэтому гравитационный эффект первобытной
физической «пустоты» был незаметен. Однако в холе расширения Вселенной
плотность и температура вещества падали, тогда как плотность вакуума
оставалась неизменной. Это обстоятельство привело к резкому изменению
физической ситуации уже спустя 10 в минус 35 степени секунды после
«Большого Взрыва». Плотность вакуума сначала сравнивается, а затем, через
несколько сверхмгновений космического времени, становится больше ее. Тогда
и дает о себе знать гравитационный эффект вакуума - его силы отталкивания
вновь берут верх над силами тяготения обычной материи, после чего Вселенная
начинает расширяться в чрезвычайно быстром темпе (раздувается) и за
бесконечно малую долю секунды достигает огромных размеров. Однако этот
процесс ограничен во времени и пространстве. Вселенная, подобно любому
расширяющемуся газу, сначала быстро остывает и уже в районе 10 в минус 33
степени секунды после «Большого Взрыва» сильно переохлаждается. В
результате этого общевселенческого «похолодания» Вселенная от одной фаза
переходит в другую. Речь идет о фазовом переходе первого рода -
