Замерзающая Вселенная
Строго говоря, теория происхождения Вселенной из замерзшей материи была рассмотрена еще в тридцатых годах прошлого века, то есть раньше, чем модель "горячей" Вселенной. В этих условиях принималось, что вещество изначально находится в виде холодных нейтронов. Однако, позже выяснилось, что возникают противоречия. Нейтрон, как сейчас известно, нестабилен. За время порядка 15 минут он распадается, рождая протон, электрон и антинейтрино. Вселенная возникла из вещества бесконечной массы и плотности, сконцентрированном в бесконечно малом объеме. Так показали математические расчеты. Такое странное состояние называют сингулярностью. Что это - никто не знает, но так вот, вроде, было. Дальше началось расширение этой тяжеленной точки, обладающей массой Вселенной. В ходе расширения нейтроны стали бы распадаться, порождая протоны, которые соединялись бы с нераспавшимися еще нейтронами, давая ядро атома дейтерия. Следующий шаг - атомы дейтерия соединялись бы между собой. Реакция усложнения атомных ядер в конечном итоге привела бы к появлению альфа- частицы, ядра гелия. Как показывают расчеты, более сложные атомные ядра не появлялись бы. Таким образом, все вещество превратилось бы в гелий, что противоречит наблюдаемым фактам - ведь молодые звезды состоят из водорода.
Вновь к идее низкотемпературного процесса происхождения Вселенной вернулись в шестидесятые годы прошлого столетия. В этот период теория холодной модели была реанимирована и горячо поддерживалась советским физиком, академиком Яковом Борисовичем Зельдовичем (1914 - 1987 г.г.). Вселенная родилась плотной, но холодной. Разработку математической части этой гипотезы осуществлял советский академик Андрей Дмитриевич Сахаров (1921 - 1989 г.г.). Он выдвинул ряд предположений, некоторые из которых являются актуальными и поныне. Во- первых, начальные возмущения плотности в ранней Вселенной имеют природу квантовой флуктуации. И это, пожалуй, бесспорно. Во- вторых, возмущения, оказавшие определяющее влияние на характеристики Вселенной, возникли позднее, на стадии экспоненциального раздувания Вселенной (инфляции). В-третьих, начальная температура Вселенной равна нулю. Это, как позднее выяснилось, видимо было ошибочным посылом, однако следует заметить, что уравнение состояния (связь между плотностью энергии и давлением) в горячей и холодной модели совпадают до определенного момента.
Первичные возмущения при расширении Вселенной распространяются как акустические волны. В разреженном газе давление намного меньше плотности энергии, скорость звука намного меньше скорости света, так как частицы движутся медленно. Однако и в холодной модели ультрарелятивистское состояние присутствует, но только ничтожное время, доли секунды. В горячей модели, для сравнения, это состояние длится около 300 тысяч лет. Такой эффект носит квантовомеханический характер, его задает принцип Паули, запрещающий двум одноименным частицам находиться в одном квантовомеханическом состоянии. Тот же механизм запрещает всем электронам в атоме сесть на низший энергетический уровень. В плотном газе принцип Паули распределяет электроны по разным импульсам.
Итак, вначале были квантовые неоднородности плотности. Они распространялись по Вселенной в виде акустических волн со скоростью близкой к скорости света.Любые колебания, подчиняющиеся линейным дифференциальным уравнениям, можно разложить на волны разной длины и смотреть на их дальнейшее поведение. Спектр этих волн в произвольный момент времени примерно повторяет спектр начальных возмущений. Но может быть более интересная картина, волны могут оказаться стоячими. Это возможно в случае, если начальные возмущения были статичны, то есть их начальная скорость была нулевой. Картина колебаний плотности в этом случае становится периодичной и позволяет, например, оценить возраст Вселенной. Однако это предположение чисто гипотетично.
В расширяющейся Вселенной каждая волна участвует в расширении, ее характеристики изменяются. Условие статичности расширяющихся возмущений выполняется в этом случае автоматически. Первичное расширение столь стремительно, что начальные скорости быстро нивелируются, тогда как амплитуды сохраняются. Это означает, что все акустические колебания плотности в ранней Вселенной будут иметь вид стоячих волн, при одинаковой частоте синхронно на всем пространстве достигать максимума и столь же синхронно обращаться в нуль. Это следует из работы А. Д. Сахарова. Через некоторое время давление среды становится значительно меньше плотности энергии и акустические волны застывают. Причем процесс происходит практически одновременно, вне зависимости от длины волны. Эту картину застывших волн можно увидеть, проведя математическую обработку процесса. Застывание идет быстро, но не мгновенно и короткие волны успевают усредниться, а значит эта часть спектра будет тривиальной. А вот более длинные волны, совершившие несколько полных колебаний с момента возникновения Вселенной, покажут четкие максимумы, разделенные впадинами. Еще более длинные волны, не успевшие закончить одно колебание, снова дадут плавную часть спектра, без особенностей. Такая картина названа акустическими осцилляциями (осцилляциями Сахарова). В гипотезе холодной Вселенной застывание совершается за доли секунды и самый длинноволновой максимум в спектре неоднородностей охватывает массу вещества порядка массы небольших звезд.
Но в том же 1965 году, когда была опубликована работа Сахарова, было открыто реликтовое излучение, однозначно свидетельствующее о том, что Вселенная родилась горячей. В горячей модели застывание происходит за время порядка 300 тысяч лет. А в самый длинноволновой пик оказываются вовлечены массы порядка десять в восемнадцатой степени масс Солнца, десятки миллионов галактик. Но самое удивительное здесь, что когда через десятилетие после работы Сахарова был запущен космический аппарат с прецизионным приемником микроволнового реликтового излучения, полученная картина ясно показала ту самую осциллирующую функцию Бесселя. Эти уже знакомые из работ Сахарова пики. Их высота над подложкой, позволяет оценить плотность вещества во Вселенной, а положение их связано с геометрией пространства.
Все ясно, вроде бы гипотеза выдающегося ученого оказалась ошибкой. Но не тут- то было. Оказалось, что в современной горячей модели Вселенной есть узкое место, где не все гладко и где очень кстати может оказаться, таки, холодная модель. А именно, трудности возникают с описанием состояния сингулярности. Холодная модель естественно сочетается с предположением об изотропном характере расширения вблизи сингулярности. Изотропность означает макроскопическую упорядоченность начального состояния, малая начальная энтропия соответствует упорядоченности на микроскопическом уровне.
В настоящее время Вселенная является "горячей", ее удельная энтропия велика. Неотъемлемой частью гипотезы о холодном начале эволюции является объяснение того, когда и каким образом Вселенная стала горячей. Предполагают, что это произошло в момент времени десять в минус сорок восьмой степени секунды, в результате превращения в тепло энергии малых возмущений. Для этого необходимы возмущения той же амплитуды, что и для образования галактик, но очень малой длины волны. Предположение о едином спектре возмущений в широком диапазоне длин волн приводит к разумному объяснению величины энтропии.
Использование холодной теории в период сингулярности предлагает естественное объяснение очень своеобразного состава вещества в андронной эре формирования Вселенной. Согласно этой теории, холодное вещество везде состоит из барионов. В результате его нагревания сохраняется избыток барионов соответственно их начальной плотности. Если предположить, что лептонный заряд исходного холодного вещества такого же порядка, или равен нулю, то после нагрева получается вещество с одинаковой плотностью нейтрино и антинейтрино. Исследования показывают, что последний вариант наиболее вероятен. Чтобы теория нуклеосинтеза оставалась верной, нужно, чтобы переход от холодной модели к горячей происходил за время не позднее 0,01 секунды после сингулярности. При этом полностью гарантировано и установление равновесного планковского спектра излучения. Так, что, видимо, рано сбрасывать со счетов добрую холодную модель возникновения Вселенной. Не будем спешить. Возможно, она еще пригодится?
Информация:
Хокинг С., Пенроуз Р. Природа пространства и времени. Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотичная динамика", 2000
Сахаров А. Д.
www.modcos.com
www.oritan.org
www.phisiclib.ru