«Начало мира» с точки зрения науки

Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком

Наиболее серьезные попытки понять явления, разыгрывавшиеся в «начале мира», базируются на достижениях физики элементарных частиц. С помощью приборов ученые проникли в глубины вещества до расстояний, которые примерно в сто тысяч раз меньше атома. Рассмотреть меньшие расстояния тоже можно, но уже чисто теоретически (что в данном случае дела принципиально не меняет). Таким образом, ученым удается добраться до расстояний, которые, по крайней мере, сравнимы с размерами субмикроскопической области, где произошел «первичный взрыв» (если измерять в сантиметрах, получится десятичная дробь с более чем тридцатью нулями после запятой!).

Хотя теория элементарных частиц, которая описывает явления в столь малых областях пространства, еще недостаточно совершенна, удалось уже получить очень важные результаты. Оказывается, на чрезвычайно малых расстояниях в микромире к нашим четырем измерениям действительно добавляются новые — еще шесть или семь. Пространство-время становится 10- или 11-мерным. Физический смысл этого явления пока неясен: то ли это какое-то особое «многомерное» время, то ли новые пространственные координаты, то ли нечто совсем другое… Известно лишь, что на каждом из дополнительных направлений мир очень искривлен. Он похож на маленькое замкнутое кольцо. Другими словами, эти направления в микромире как бы замыкаются, оттого-то мы их и не видим.

Такую сложную пространственно-временную структуру имела наша Вселенная, едва появившись на свет. Она жила тогда по законам, которые физики только-только начинают постигать. Здесь может быть открыто еще много неожиданного и диковинного. Но кое-что проясняется уже сейчас. «Ничто», из которого родилась Вселенная, было сродни физическому вакууму. Вакуум этот только кажется абсолютной пустотой, на самом же деле, как показывает теория, да и опыты с элементарными частицами, это очень сложное переплетение «всплесков» образующихся и тут же исчезающих полей — электромагнитного, гравитационного и других. Иными словами, это среда, в известном смысле обладающая энергией. Состояние только что родившейся Вселенной, которая формально была почти пуста, так как основная часть ее массы была еще заключена в вакууме, можно сравнить с тем, что бывает высоко в горах перед грозой: напряженная, густая, потрескивающая всполохами разрядов пустота, которая вот-вот превратится в заполняющий все пространство потоп.

Такое состояние продолжалось около 10-36 секунды (десятичная дробь с 35 нулями после запятой). Исчезающе малый миг! Но если сравнить его с еще меньшим — 10-43 секунды, в течение которого происходило то, что принято называть собственно рождением Вселенной, — этот миг будет так же долог, как пятилетие по сравнению с секундой. Вселенная быстро расширялась, заполнявший ее «физический вакуум» (не путать с обыденным значением этого слова!) как бы растягивался, не меняя еще своих свойств; в результате мир перешел в крайне неустойчивое, энергетически напряженное состояние, похожее на состояние перенасыщенного раствора, когда ничтожной неоднородности достаточно, чтобы вызвать лавинообразную кристаллизацию. И вот спустя 10-35 секунды после рождения Вселенной началась интенсивная перестройка вакуума: за счет разности энергий его начального и конечного состояний стало выделяться вещество.

Оно рождалось как бы из пустоты. Но была не пустота, а «бездна возможностей». И как это всегда бывает в процессах, сходных с кристаллизацией, выделилось очень много тепла. Почти мгновенно, за 10-32 секунды, пространство раздулось в огромный раскаленный шар с радиусом на много порядков больше размеров видимой нами части Вселенной.
К такому выводу приводят строгие формулы современной теории, восходящей и к теории относительности, и к основанной на ней теории расширяющейся Вселенной. Расчеты, сделанные Фридманом, говорили о равномерном расширении мира, а новые, более точные вычисления указывают на фазу почти мгновенного его раздувания в фантастически огромный шар. Новую теорию, созданную в последние годы, часто называют теорией раздувающейся Вселенной.

Перестройка вакуума и процесс «кристаллизации» вещества Вселенной в различных ее участках происходили, скорее всего, неодинаково. По этой причине в огромном объеме раздувающегося мира могли образоваться большие области с различным вакуумом, следовательно, со своей скоростью света, своей величиной заряда электрона и вообще всеми фундаментальными константами, определяющими физические свойства мира. А это значит, что в процессе раздувания правселенная расщепилась на множество отдельных, различающихся по своим свойствам вселенных. Наша — одна из них.

Каждая из вселенных расширялась уже по фридмановскому сценарию. В начале, когда наша Вселенная (как и все прочие) была еще очень горяча, в ней рождались тяжелые элементарные частицы, на которые идет много массы и энергии. Они распадались и тут же воссоздавались заново, но скорость восстановления постепенно снижалась, и Вселенная обогащалась поколениями все более легких частиц. Согласно расчетам, протоны и нейтроны — «кирпичики», из которых сложены атомные ядра, — образовались примерно через тысячную долю секунды от «начала мира» или чуть раньше. Через несколько минут они «слиплись» в ядра. Вся последующая эволюция Вселенной — образование химических элементов, туманностей, звезд, галактик и так далее — не что иное, как медленное затухание, длинный «хвост» первичных процессов.

Еще раз подчеркнем: изложенная история Вселенной, какой бы удивительной она ни казалась, — строгое следствие теории. Продолжительность того или иного этапа, характер происходящих в нем процессов — все это описывается точными математическими формулами. Правда, количественные выводы теории, особенно для явлений, предшествовавших же быстрого раздувания, не столь еще определенны. Они зависят от конкретного варианта теории. И это понятно. Ведь о тех давних временах у нас нет никаких подтвержденных наблюдениями данных, с которыми можно было бы сравнить результаты расчетов. Они сгорели в пекле раздувшегося мира.

Данные эти появятся, очевидно, когда физики научатся улавливать волны полей тяготения. Подобно тому, как реликтовое излучение говорит нам о свойствах горячего расщепившегося мира, реликтовые гравитационные волны, на которые не влияют высокие температуры, расскажут о самых первых мгновениях жизни Вселенной. Уловить эти волны и расшифровать удастся, когда будут созданы особо точные приборы. А до тех пор проверка теоретических выводов о процессах вблизи порога «рождения мира» может основываться лишь на косвенных данных. Например, на изучении предсказываемых теорией свойств элементарных частиц и реакций между ними.

Такие исследования ведутся на ускорителях и в физике космических лучей. А свойства частиц описывает та же самая теория, которую используют для объяснения процессов внутри только что родившейся Вселенной. Материя в ней находилась в таком же высокоэнергетическом состоянии, как и частицы в момент своего столкновения. Успехи физики частиц вселяют сегодня уверенность в правильности космологических построений ученых. Знаменательный факт! Впервые в истории науки перекинут мост между двумя, казалось бы, противоположными полюсами наших знаний — космологией, изучающей мир в целом с его фантастическими расстояниями, и квантовой физикой, исследующей явления в ультрамалом. Оказалось, что по существу это два аспекта одной и той же науки. В природе все взаимосвязано: изучая свойства микрочастиц, физики уточняют свое представление о фазах эволюции Вселенной; космологические же данные используются для выбора между различными вариантами теории элементарных частиц.

Современная теория позволяет заглянуть не только в далекое прошлое, к «началу мира», но и предсказать дальнейшую судьбу Вселенной. Расчеты показывают: развитие нашего мира может следовать одному из двух «сценариев». Если масса Вселенной недостаточно велика, то, непрерывно расширяясь, мир будет увеличивать свои размеры беспредельно. В противном случае наступит время, когда силы гравитационного притяжения остановят расширение и начнется обратный цикл — сжатия мира «в точку». Что последует за этим — повторное «рождение» и расширение Вселенной или какая-либо иная фаза ее развития, — пока неясно. Для ответа на этот вопрос (а ответ, видимо, возможен) нужна более совершенная теория вакуума и явлений на ультрамалых расстояниях.

Если гравитационные силы не остановят расширения, то протоны и нейтроны начнут постепенно распадаться на более легкие частицы. Для полного распада вещества Вселенной потребуется огромное, трудно вообразимое время: 10100 лет — единица со ста нулями! По прошествии такого фантастически большого времени Вселенная превратится в чрезвычайно разреженный газ, состоящий из самых легких частиц — электронов, позитронов, нейтрино и фотонов, которым распадаться будет уже не на что.

А что дальше? Будет ли этот газ расширяться во все стороны до бесконечности, или наступит какая-то новая фаза развития мира — сказать трудно. Может быть, какие-то неведомые нам физические явления и нарушат безрадостный процесс расширения почти пустого пространства… Неизвестно, впрочем, по какому из двух путей пойдет развитие Вселенной. С житейской точки зрения разница между ними не так уж велика: если сжатие и начнется, то все равно не скоро — не ранее, чем через 1040—1050 лет. Вообразить это гораздо труднее, чем те 10 или 20 миллиардов лет, которые Вселенная уже прожила…

Автор: В. Барашенков.