Лев Гиндилис – SETI: Поиск Внеземного Разума (страница 56)

После периода ядерных реакций ионизированный водород и гелий еще долго находятся в равновесии с излучением, и только через 200 000 лет, когда температура водородно-гелиевой плазмы упала до 4000 К, произошла рекомбинация и вещество отделилось от излучения. Спустя еще около 100 тыс. лет, при температуре меньше 3000 К, плотность образовавшегося нейтрального вещества превысила плотность излучения. Началась эра вещества. В это время Вселенная была в 1000 раз меньше, чем сейчас. С переходом к эре вещества изменился и закон расширения Вселенной: до этого масштабный фактор увеличивался со временем пропорционально t^1/2, а с переходом к эре вещества этот закон сменился законом a(t) ∝ t^2/3.

Некоторые параметры Вселенной в различные периоды ее эволюции приведены в таблице 2.2.1.

После рекомбинации Вселенная представляла собой однородное первичное вещество — нейтральный водородно-гелиевый газ, погруженный в океан фотонов и нейтрино. Эти три составляющие, не взаимодействуя, взаимопроникали друг в друга, участвуя в общем расширении Вселенной. Теперь ее дальнейшая судьба связана с эволюцией вещества. Лишенное какой бы то ни было структуры первичное вещество Вселенной в потенции должно было содержать в себе весь тот богатый, многообразный мир форм, который окружает нас сегодня. В течение сотен миллионов лет в первичном веществе постепенно созревали условия для образования галактик. Как это произошло, мы рассмотрим позднее. А сейчас нам надо вернуться к самому началу, чтобы понять, как началось расширение Вселенной.

2.2.3. Первичный импульс

Не было ни дня, ни ночи, ни неба, ни земли, ни тьмы, ни света, ничего другого, за исключением Одного, непостижимого разумом, что есть Браман и Пуме (Дух) и Прадхана (Изначальная Материя).

Кто знает, воистину, и кто может сказать, когда это родилось, и когда свершился этот акт творения? Богн появились гораздо позже сотворения этого мира. Кто же тогда знает, когда появился мир?

В первые мгновения после сингулярности, в те ничтожные доли секунды, которые соответствуют адронной эре, Вселенная была очень горяча, давление излучения было невообразимо велико. На первый взгляд, может показаться, что именно это чудовищное давление и является причиной расширения подобно тому, как это имеет место при взрыве какого-либо заряда, когда большое давление, возникающее в центре взрыва, разбрасывает окружающее вещество. Но на самом деле это не так. Для того чтобы произошел взрыв, важно не давление само по себе, а перепад давления. При взрыве бомбы этот перепад определяется разностью между высоким давлением горячего газа внутри быстро сгорающего взрывчатого вещества и низким давлением окружающего воздуха. Именно этот перепад и создает силу взрыва. Но ведь Вселенная однородна и изотропна, давление в каждой ее точке одинаково, перепад (или, как говорят физики, градиент) давления отсутствует. Следовательно, давление не может быть причиной Большого взрыва. Более того, согласно общей теории относительности, давление создает дополнительное поле тяготения и, следовательно, только усиливает тормозящее действие гравитационных сил. Но все это относится к обычной материи, состоящей из частиц вещества и различных физических полей. Однако на самом раннем этапе эволюции Вселенной, в эпоху близкую к планковскому времени t_пл = 3 • 10^-44 с (т. е. в момент, отстоящий от теоретической фридмановской сингулярности t = 0 на величину 3 • 10^-44 с) материя, по-видимому, находилась в так называемом вакуумно-подобном состоянии. В свойствах этого состояния и надо искать причину Взрыва, причину расширения Вселенной. Что такое вакуумно-подобное состояние? Здесь нам придется сделать еще одно отступление и познакомиться с физическим вакуумом.

Физический вакуум определяют как низшее состояние квантовых полей, при котором энергия поля минимальна, а все квантовые числа, характеризующие эти поля (электрический заряд, импульс и др.), равны нулю. Более просто, хотя, может быть, несколько грубо, можно определить его так: физический вакуум это то, что остается в некоторой области пространства, если убрать оттуда все частицы и все кванты любых физических полей. Но что же останется в таком случае в рассматриваемой области пространства? На первый взгляд, ничего не останется — будет абсолютная пустота. Но оказывается в этой «пустоте» постоянно рождаются и аннигилируют так называемые виртуальные частицы. От реальных частиц они отличаются тем, что живут очень короткое время, столь малое, что их принципиально невозможно обнаружить за это время — не потому, что точность измерения времени мала, а потому что длительность их жизни лежит за пределом обнаружения, допускаемого соотношением неопределенностей квантовой механики. Виртуальные частицы рождаются парами: частица-античастица и, по истечении времени Δt аннигилируют[140]. На образование частиц необходимо затратить определенную энергию, которая берется из «ничего», но по истечении времени Δt частицы аннигилируют и выделяющаяся при этом энергия возвращается в «ничто». Закон сохранения энергии выполняется. А так как весь этот процесс рождения-аннигиляции частиц остается вне наблюдения, то вроде бы ничего и не происходит; виртуальные частицы существуют и как бы не существуют. Зачем же тогда говорить о них? Дело в том, что хотя виртуальные частицы невозможно зарегистрировать непосредственно, косвенно они проявляются: за короткое время своей жизни виртуальные частицы успевают прореагировать с реальными частицами и результаты этих взаимодействий обнаруживаются в физическом эксперименте. Следовательно, физический вакуум это не пустота, а особое состояние материн. Оно характеризуется постоянным рождением и аннигиляцией частиц и античастиц, которое образно называют «кипением» вакуума.

Как и всякая физическая материя, вакуум обладает определенной плотностью энергии ε_вак . и соответствующей плотностью массы ρ_вак = ε_вак/с². Теоретические оценки показывают, что вблизи планковского времени плотность вакуума могла составлять ρ_вак ≈ 10⁷⁴ ÷ 10⁹⁴ г/см³. Так что эта «пустота» была необычайно плотной!

Важной особенностью физического вакуума является его уравнение состояния. Уравнение состояния связывает плотность и давление. Для обычной материи давление с ростом плотности монотонно возрастает. Значит, если увеличивать число частиц в каком-то объеме, то давление в этом объеме возрастает и оно стремится вытолкнуть частицы из занимаемого объема. В вакууме все происходит наоборот. Уравнение состояния вакуума имеет вид

ρ_вак = —ε_вак= —ρ_вак/с².

То есть в отличие от обычной материи, давление вакуума отрицательно!

Посмотрим теперь, каковы гравитационные свойства вакуума. Если положительное давление обычной материи создает дополнительное поле тяготения, то можно ожидать, что отрицательное давление вакуума уменьшает поле тяготения. В действительности, происходит более радикальное преобразование: сила притяжения трансформируется в силу отталкивания.

В ньютоновской теории тяготения сила тяготения пропорциональна плотности вещества ρ_вещ . В релятивистской теории тяготения (общей теории относительности) для любого вида физической материи сила тяготения пропорциональна величине ρ_эф = ρ + 3р/с^г, где ρ — плотность материи, а р — давление. В обычных условиях, с которыми мы сталкиваемся в физике и астрофизике, второе слагаемое очень мало по сравнению с первым. Так например, даже в центре Солнца, где давление очень высоко, второе слагаемое составляет 10^-5 от первого. Если взять Вселенную в целом, то для нее в современную эпоху можно с большой степенью точности положить р = 0, ρ_эф = ρ = ρ_вещ .[141] Тяготение определяется плотностью вещества. В дорекомбинационную эпоху (эра излучения) ρ_вещ = 0, ρ_эф = 3р/с² , здесь р — давление излучения. Уравнение состояния для излучения имеет вид p = (1/3) ε_изл = (1/3) ρ_изл с². Следовательно, ρ_эф= ρ_изл . Тяготение определяется плотностью излучения. Но для вакуума р = —ρ_вак с² , следовательно, ρ_эф = —2ρ_вак . Эффективная плотность оказывается отрицательной! Это означает, что сила тяготения вакуума, по сравнению с обычной материей, меняет знак.

Если для обычной материи мы имеем гравитационное притяжение, то в вакууме возникают сипы гравитационного отталкивания. Это и есть те самые космологические силы отталкивания, которые

Эйнштейн ввел в свои уравнения с помощью Λ-члена (см. п. 2.2.1). Оказывается, он не зря это сделал! Для того чтобы силы гравитационного отталкивания существенно превышали силы притяжения, необходимо выполнение условия ρ_вак >> ρ, где ρ — плотность обычной материи. Состояние материи, для которого выполняется это условие, называется вакуумно-подобным.

Теперь мы можем вернуться к нашей Вселенной. В очень ранней Вселенной, в момент близкий к планковскому времени t_пл = 3 • 10^-44 с, при температуре Т = Т_пл = 10³² К и плотности равной ρ_пл = 10⁹⁴ г/см³ материя находилась в вакуумно-подобном состоянии. В этом состоянии сила гравитационного отталкивания вакуума намного превышала силу притяжения обычной материи. Она-то и послужила причиной Взрыва, создала тот Начальный Импульс, под действием которого Вселенная начала расширяться. Когда этот импульс исчерпался, расширение продолжалось по инерции.