Вначале весь мир был «сжат в точку» размером 10~32 мм
(на 20 порядков меньше размера атомного ядра) и с плотностью
109 3 г/см3; при этом полная масса материи составляла
всего 10~5—Ю- 6 г. В середине 60-х годов XX в. Э. Глиннер
предположил, что это было так называемое в а к у у м н о е
с о с т о я н и е материи, для которого характерно огромное отрицательное
давление. По абсолютной величине оно равно
плотности энергии, т. е. произведению плотности материи на
квадрат скорости света, но со знаком «минус». Модель отрицательного
давления — это натяжение, существующее, например,
в растянутой резине.
Материя вместо притяжения, традиционного для нормальных
условий, находясь в вакуумном состоянии, создает гравитационное
отталкивание подобно тому, как между одноименными
электрическими зарядами возникает электростатиче-
1 Космология — наука, занимающаяся проблемой происхождения
Вселенной.
2 Картина ранней Вселенной излагается в соответствии с опубликованным
текстом доклада, сделанного одним.из ведущих отечественных
космологов чл.-корр. РАН И. Д. Новиковым на заседании Президиума
РАН в 2001 г.
7.4. Эволюция — история жизни 283
ское отталкивание. Это гравитационное отталкивание, по
современным общепризнанным представлениям, и послужило
причиной чрезвычайно мощного «первотолчка», ранее приписывавшегося
«большому взрыву».
Через Ю- 4 3 с после рождения Вселенной (рис. 7.26) вследствие
«первотолчка» материя получила начальные скорости
и Вселенная начала расширяться с постоянным ускорением, так
как сила гравитационного отталкивания продолжала действовать.
Экспоненциально быстрое расширение современными
космологами названо инфляцией, а соответствующий интервал
времени — инфляционной стадией развития Вселенной.
Объем Вселенной увеличивался, а плотность фактически
не менялась, она уменьшалась чрезвычайно медленно. В результате
масса материи во Вселенной возрастала, причем с новой
массой рождалось новое тяготение этой массы. Рождающаяся
отрицательная энергия гравитации компенсировала положительную
энергию материи, и в сумме закон сохранения
энергии соблюдался.
Вакуумная материя (инфлантон) неустойчива, через ничтожно
малый промежуток времени (10~36с) она распалась
квантовым образом и превратилась в горячую плазму — обычную
материю. Таков был квантовый процесс рождения нашей
Сегодня
Образование галактик
Рекомбинация
Синтез легких
химических элементов
Начало горячей Вселенной
Конец инфляции
Начало инфляции
Рис. 7.26. Основные этапы истории горячей Вселенной
с учетом периода инфляции (по И. Д. Новикову)
284 Глава 7. БИОСФЕРА
горячей Вселенной. Через минуту с начала расширения температура
горячей материи упала до 1 млрд К, начался синтез
легких химических элементов.
Первичный нуклеосинтез продолжался около 3 мин. За
это время элементарные частицы уже достаточно долго удерживались
друг около друга, что привело к синтезу ядра водорода,
дейтерия, гелия, лития и бериллия. После взаимных
превращений остались ядра водорода (около 80% масс), гелия
(до 20% масс) и остальные элементы в ничтожно малом количестве
— около 0,01% всего вещества. Тяжелые химические
элементы во Вселенной появились существенно позже в звездах.
На ранней стадии расширения Вселенной ее характер полностью
определялся излучением, так как плотность энергии
излучения тогда была больше плотности энергии обычных частиц
вещества. Начальный этап принято называть радиационной
стадией эволюции Вселенной. Температура вещества
и излучения на этой стадии были одинаковы. Однако в определенный
момент (примерно через 300 тыс. лет после начала
образования Вселенной и при температуре 3—4 тыс. К) все
радикально изменилось. Радиационная стадия сменилась стадией
вещества. Этот переход принято называть рекомбинацией.
После эпохи нуклеосинтеза образование Вселенной замедлилось,
и до момента рекомбинации происходило спокойное
расширение, при котором вещество Вселенной остыло до нескольких
тысяч градусов Цельсия. По законам атомной физики
при снижении температуры до таких значений начинается
объединение (рекомбинация) электронов, бывших ранее свободными
частицами, с протонами и ядрами гелия. На стадии
развития Вселенной из элементарных частиц и ядер началось
образование атомов стабильных газов, преимущественно водорода
и гелия.
С момента рекомбинации вещество начало эволюционировать
самостоятельно, независимо от излучения. Сразу после
рекомбинации оно было рассеяно во Вселенной практически
равномерно. Не было ни звезд, ни галактик, ни иных космических
объектов. Причиной дальнейших процессов объединения
вещества явилась сила гравитации. Даже самые, казалось бы,
незначительные различия в плотности вызывали различное
притяжение. Вследствие этого более плотные образования постепенно
становились еще более плотными, а области относительно
пониженной плотности — все более разреженными. Та-
7.4. Эволюция — история жизни 285
ким образом, изначально почти однородная среда с течением
времени разделилась на отдельные «облака», из которых через
сотни миллионов лет после начала расширения сформировались
первые звезды и галактики1 .
Квантовый процесс рождения нашей Вселенной привел
к разогреву вещества до очень больших температур. При расширении
эта температура падала, а с ней изменялось и излучение,
равномерно заполнившее всю Вселенную. Первичный
свет (слабое электромагнитное излучение), называемое «реликтовым
излучением», существует и сегодня. Не видимое
глазу, оно приходит со всех сторон и регистрируется современными
телескопами. Это явление было открыто2 в 1965 г., тогда
же установлено, что температура космического пространства
в наше время равна 3 К.
В рамках существующих математических моделей допустимо
говорить о «возрасте» или «времени жизни» нашей Вселенной
как о времени, прошедшем с момента существования
бесконечно большой плотности.
Естественный вопрос о том, что же было в эпоху «самого
начала», т. е. до инфляции Вселенной, пока не имеет ни теоретически,
ни экспериментально подтвержденного ответа, однако
существуют предварительные заключения. В самый начальный
период эволюции промежуток времени менее 10~43 с
и размеры Вселенной менее 10~32 мм соответственно не могли
быть непрерывным временем и непрерывным пространством.
Пространство и время распадались на отдельные кванты, и все
это, по выражению И. Д. Новикова, находилось в состоянии
«кипения вакуума» при чрезвычайно большой его плотности
— 109 3 г/см3. В этом состоянии пространство (его размерность
и топология) менялись самым причудливым образом —
квантовым.
Вследствие квантовых флуктуации (от лат. fluctuatio —
колебание, случайное отклонение величины от ее среднего значения)
в различные моменты времени «кипящий вакуум» случайным
образом превращается в отдельные пузыри раздувающихся
вселенных, каждая из которых подобна нашей Вселенной,
однако, возможно, с иными физическими свойствами
и иным развитием. Затем возможен коллапс отдельных пузы-
1 Достоверно установлено, что самые старые звезды различных галактик
имеют практически одинаковый возраст — около 15 млрд лет.
2 В 1978 г. за это открытие была присуждена Нобелевская премия.
286 Глава 7. БИОСФЕРА
рей, и они снова переходят в квантовое кипение. И даже без
коллапса за громадные промежутки времени отдельные вселенные
рано или поздно перейдут в квантовое состояние.
Эта картина не имеет ни границ, ни пределов. Имеет место
вечное кипение, вечное рождение новых вселенных и вечное
их умирание. Следовательно,
II наша Вселенная вечна, она — один из «пузырьков»
[ в Сверхвселенной, конца эволюции Вселенной нет.
Такую картину мироздания дает нам современная космология,
радикально меняющая существовавшую философскую
концепцию. Из нее, в частности, следует, что наша Вселенная
не одна, вселенных много. При этом у человечества появляется
возможность исследовать их не только умозрительно, но и экспериментально.
С этой целью в начале XXI в. планируется серия
уникальных научных экспериментов, в том числе:
• эксперимент «Космологический ген», с использованием
отечественного радиотелескопа РАТАН-600 с зеркалом
диаметром 600 м, остающегося самым крупным в мире
рефлекторным телескопом;
• эксперимент «Планк», предполагающий использование
отечественного спутника, запуск которого планируется
на 2007 г. После него должна быть точно установлена
топология нашей Вселенной;
• эксперимент в северокавказской обсерватории, призванный
экспериментально подтвердить рекомбинацию
Вселенной;
• эксперименты НАСА, основанные на применении высотных
баллонов, летающих в Антарктике и Арктике,
где дуют широтные ветры.