Куда течет река времени - Новиков Игорь Дмитриевич

Частицы, родившиеся из первичного вакуума, имели большие начальные скорости разлета из-за действия сил антигравитации. Но вместе с распадом «супервакуума» эти силы исчезли и заменились обычным тяготением. Разлетающееся родившееся горячее вещество много миллиардов лет спустя, став очень разреженным и охладившись, дробится силами взаимного тяготения на куски, из которых рождались затем галактики, звезды и их системы. Физические процессы, которые при этом происходили, подробно описываются во многих книгах, в том числе и популярных. Поэтому мы лишь коротко скажем о них.

После распада «ложного вакуума» и разогрева Вселенной в ней имелась своеобразная сверхгорячая плазма из элементарных частиц и их античастиц всевозможных сортов. Они бурно взаимодействовали друг с другом.

С расширением Вселенная охлаждалась. По прошествии примерно одной десятой доли секунды с начала расширения температура упала до тридцати миллиардов градусов. В горячем веществе имелось много фотонов большой энергии. Плотность и энергия их были столь велики, что происходило взаимодействие света со светом, приводившее к рождению электронно-позитронных пар.

Аннигиляция пар, в свою очередь, приводила к рождению фотонов, а также к возникновению пар нейтрино и антинейтрино. В этом «бурлящем котле» находилось и обычное вещество, но при очень высоких температурах сложные атомные ядра существовать не могли. Они моментально разбивались окружающими энергичными частицами, и поэтому вещество существовало в виде тяжелых частиц — нейтронов и протонов. Взаимодействуя с энергичными частицами «котла», нейтроны и протоны быстро превращались друг в друга, не имея возможности соединиться друг с другом, так как возникающие из них при этом ядра дейтерия тут же разбивались частицами большой энергии. Так, из-за большой температуры в самом начале обрывалась цепочка, которая привела бы к образованию гелия и других более тяжелых элементов.

Спустя несколько минут после начала расширения температура во Вселенной упала уже ниже миллиарда градусов. Теперь соединение протонов и нейтронов в ядра дейтерия уже стало возможным. Возникающие ядра дейтерия вступали в дальнейшую цепочку ядерных превращений, пока не образовались ядра атома гелия. На этом ядерные реакции ранней Вселенной прекращались.

Расчеты показали, что в первичном веществе должно образоваться около 25 процентов гелия, а остальные 75 процентов — это ядра атомов водорода (протоны). Наблюдения подтвердили, что первые звезды во Вселенной имели химический состав, соответствующий предсказаниям теории горячей Вселенной. Ядра атомов более тяжелых элементов возникли во Вселенной гораздо позже (уже в эпоху, близкую к нашей) в ядерных процессах в звездах.

В ранней Вселенной ядерные реакции прекратились спустя пять минут после начала расширения. Все активные процессы с элементарными частицами к этому времени закончились, и наступил длительный период, когда во Вселенной ничего «интересного» не происходило.

В это время расширяющееся вещество было ионизированным из-за большой температуры (такое вещество называют плазмой). Плотная плазма непрозрачна для излучения, и оно (излучение) определяло силу давления. В этой смеси плазмы и излучения имелись небольшие по амплитуде колебания плотности — звуковые волны. Ничего, кроме звуковых колебаний, в расширяющемся веществе не происходило.

Только по прошествии примерно 300 тысяч лет расширяющаяся плазма остыла до четырех тысяч градусов и превратилась в нейтральный газ (произошел процесс захвата атомными ядрами свободных электронов). Этот газ практически стал прозрачным для реликтового излучения. Теперь давление его определялось только движением нейтральных атомов, так как давление излучения уже отсутствовало, упругость газа резко упала и стало возможным срабатывание, как говорят, механизма гравитационной неустойчивости. (Теория этих процессов была разработана советским физиком Е. Лифшицем в 1946 году.)

Уплотнения в звуковых волнах в газе, имеющие достаточно большие размеры, теперь силами тяготения начинают все более и более усиливаться. В конце концов из них (уплотнений) начали образовываться обширные облака, эволюционирующие затем в галактики и скопления галактик. Внутри галактик появились звезды.

Но это, как говорится, уже совсем другая история. Давайте вернемся к самому началу.

Мы рассмотрели, как вакуумноподобное состояние породило первотолчок. Таково согласно современной науке таинство рождения Вселенной.

Первая догадка о том, что вакуумноподобное состояние, а следовательно, и силы антигравитации, может возникать при сверхплотном веществе в начале расширения Вселенной, была высказана ленинградским физиком участником Великой Отечественной войны Э. Глинером.

В конце 60-х годов он приезжал в Москву, чтобы рассказать о своей гипотезе «великим метрам» космологии и другим ученым. Но его не поняли. Ничего тогда не понял и я. Мне казалось, что гигантские отрицательные давления не могут реально возникать в природе, а значит, ни о каких антигравитационных силах не может быть и речи. Так считали тогда почти все. Не хватило фантазии и у меня. Но в начале 1972 года советские физики Д. Киржниц и А. Линде показали, что подобное состояние в расширяющейся Вселенной может возникать с понижением температуры и плотности. Несколько позже эти идеи были развиты применительно к космологии в работах ленинградских физиков Э. Глинера, Л. Гуревича, И. Дымниковой, а затем, с использованием новейших достижений физики высоких энергий, А, Гусом, А. Альбрехтом, П. Стейнхартом в США, и у нас в стране — А. Линде, А. Старобинским и другими.

Тут возникает ряд вопросов, и первый из них следующий: «А что было еще раньше?»

Это трудный вопрос. Еще несколько десятилетий назад никакого ответа на него не было. Более того, когда я пришел в науку, такой вопрос некоторые наши философы считали антинаучным, антимарксистским. «Как! — патетически восклицали они. — Было начало Вселенной?! Значит, Вселенная сотворена богом?» и т. д., и т. п. Неприятная история в середине 60-х годов произошла со мной, когда я начинал работать у академика Я. Зельдовича.

К нам тогда пришел корреспондент газеты «Комсомольская правда» и попросил нас дать интервью о проблемах современной космологии. Поговорив немного, мы расстались, и корреспондент, весьма возбужденный проблемой начала расширения Вселенной (о чем тогда почти ничего достоверного известно не было), ушел, сказав, что подготовит текст для газеты. Как известно, стиль газетных статей часто весьма далек от стиля изложения ученых. Окончательный вариант интервью с нами согласован не был, и с «броским» заголовком «Когда Вселенной еще не было» статья была опубликована. Разумеется, там оказались перепутанными существенные моменты, а кричащий заголовок без разъяснений, да еще в то время, вызвал кривотолки.

На нас набросились философы, а также функционеры, считавшие своим «долгом» это сделать. Хорошо еще, что положение Я. Зельдовича — академика, трижды Героя Социалистического Труда — не позволило ревнителям «чистоты» диалектического материализма сделать более серьезные выводы. Но, конечно, никакими запретами и запугиваниями нельзя остановить развитие науки. После многочисленных исследований за последние четверть века вопрос о самом начале расширения и проблема «Что было до того?» постепенно проясняются.

Как уже было сказано, расширение, вероятно, началось со сверхплотного вакуумноподобного состояния и огромной температуры. Здесь искривленность пространства-времени и описываемые им приливные силы столь же велики, как и в сингулярности в черной дыре. Сингулярность (ее называют космологической) в начале расширения Вселенной во многом похожа на сингулярность внутри черных дыр. Но имеются и существенные отличия. Во-первых, космологическая сингулярность относится ко всей Вселенной, а не к какой-то части вещества, как в случае черных дыр. Во-вторых, она лежит не в конце процесса сжатия (как сингулярность в черных дырах), а в начале процесса расширения.