Модель горячей Вселенной

В основе современных представлений об эволюции Вселенной лежит модель горячей Вселенной, или «Большого Взрыва», основы которой были заложены в трудах американского физика русского происхож­дения Дж. Гамова и его сотрудников в конце 40-х гг. XX в. В соответ­ствии с этой концепцией Вселенная на ранних стадиях расширения характеризовалась не только высокой плотностью вещества, но и его высокой температурой.

Ключ к пониманию ранних этапов эволюции Вселенной — в ги­гантском количестве теплоты, выделившейся при Большом Взрыве. В простейшем варианте теории горячей Вселенной предполагается, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния с очень большой плотностью и энергией (состояние сингулярности). По мере расширения Вселенной температура падала (сначала бы­стро, а затем все медленнее) от очень большой до довольно низкой, обеспечивавшей возникновение условий, благоприятных для образо­вания звезд и галактик. На протяжении около 1 млн лет температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образова­нию атомов, и, следовательно, космическое вещество имело вид ра­зогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизилась приблизительно до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы. Таким образом, атомы — это реликты эпохи, наступившей через 1 млн лет после Большого Взрыва.

Модель горячей Вселенной получила экспериментальное под­тверждение после открытия в 1965 г. реликтового излучения — мик­роволнового фонового излучения с температурой около 3 К. Косвен­ным подтверждением этой модели служит также наблюдаемое оби­лие гелия, превышающее повсеместно 22% по массе, а также обнару­женное в межзвездном газе неожиданно высокое содержание дейтерия, происхождение которого можно объяснить лишь ядерны­ми реакциями синтеза легких элементов в горячей Вселенной. Зная современную температуру реликтового излучения, можно провести экстраполяцию в прошлое, используя хорошо известные и проверен­ные законы механики, термодинамики, статистической, атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц и др.*

* Фундаментальным открытием самых последних лет, конца XX в., является обнаружение пространственной анизотропии реликтового излучения, фона Все­ленной. Это расширяет возможности релятивистской космологии, делает несуще­ственным влияние различных мешающих познанию начальных этапов Вселенной факторов — рассеяние электромагнитных волн на свободных электронах, на холод­ном молекулярном газе, поглощение пылью и др.

Возможность установить процессы, происходившие в первые се­кунды и минуты существования Вселенной, безусловно, следует рас­сматривать как блестящее достижение современного естествознания. Моделирование первой секунды существования Вселенной при­ближает нас к главной загадке природы — самому акту «сотворения мира»! Первые секунды Вселенной — это время таинственных со­стояний вещества и неведомых сил природы. Конечно, здесь следует быть осторожным. Наши представления об этом отрезке времени основаны во многом на гипотезах и гипотетических экстраполяциях, теоретическом моделировании, во многом спорных и умозри­тельных.

Экстремальные условия первых секунд жизни Вселенной сегодня можно изучать экспериментально. На современных ускорителях эле­ментарных частиц удается воспроизводить физические условия, су­ществовавшие в то время, когда возраст Вселенной составлял 10^-4 с, когда температура достигала 10¹² К, а вся наблюдаемая сегодня Все­ленная была «сжата» до размеров Солнечной системы. За этими границами возможна только теоретическая экстраполяция известных нам физических законов. В целом она не вызывает сомнений вплоть до того момента, когда начинают проявляться квантовые свойства гравитации.

Вблизи сингулярности решения релятивистских уравнений не­применимы, поскольку там должны проявляться квантовые свойства гравитации, а свойства вещества в этом состоянии неизвестны. Существующие теории вещества и тяготения применимы к состояниям материи, плотность и температура которой меньше планковских: ρ = 10⁹³ г/см³; Т ≈ 10³² К. Планковской плотности и температуре соот­ветствует возраст Вселенной τ ≈ 10^-43 с и расстояние r ≈ 10^-33 см. В планковскую эпоху физические условия были таковы, что для их описания требуется еще несозданная квантовая теория тяготения, и поэтому для описания самых ранних моментов рождения Вселенной пользуются гипотетическими, умозрительными моделями.