Що сталося внаслідок великого вибуху. Що було до Великого вибуху? Поява теорії Великого вибуху

« Для мене життя надто коротке, щоб турбуватися про речі мені непідвладні і, може, навіть нездійсненні. Ось питають: «А раптом Землю поглине чорна діра, чи виникне спотворення простору-часу – це ж привід для хвилювання?» Моя відповідь: "ні", - тому що ми про це дізнаємося, тільки коли воно досягне нашого ... нашого місця в просторі-часі. Ми отримуємо поштовхи, коли природа вирішує, що настав час: швидкість звуку, швидкість світла, швидкість електричних імпульсів - ми завжди будемо жертвами тимчасової затримки між навколишньою інформацією і нашою здатністю її отримати»

Ніл Деграсс Тайсон

Час – дивовижна штука. Воно дарує нам минуле, сьогодення та майбутнє. Через час у всього, що оточує нас, є вік. Наприклад, вік Землі становить приблизно 4,5 мільярда років. Приблизно стільки ж років тому спалахнула і найближча до нас зірка – Сонце. Якщо ця цифра здається вам дивовижною, не варто забувати, що задовго до утворення нашої рідної Сонячної системи з'явилася галактика, в якій ми живемо - Чумацький шлях. За останніми оцінками вчених, вік Чумацького шляху становить 13,6 мільярда років. Але ж ми точно знаємо, що галактики теж мають минуле, а космос просто величезний, тому потрібно дивитися ще далі. І цей роздум неминуче приводить нас до моменту, коли все почалося – Великому Вибуху.

Ейнштейн та Всесвіт

Сприйняття навколишнього світу людьми завжди було неоднозначним. Хтось досі не вірить у існування величезного Всесвіту навколо нас, хтось вважає Землю плоскою. До наукового прориву в 20 столітті існувала лише пара версій походження світу. Прихильники релігійних поглядів вірили у божественне втручання та творення вищого розуму, незгодних іноді спалювали. Була й інша сторона, яка вірила, що навколишній світ, як і Всесвіт, нескінченний.

Для багатьох людей усе змінилося тоді, коли 1917 року з доповіддю виступив Альберт Ейнштейн, представивши широкому загалу працю свого життя – Загальну теорію відносності. Геній 20 століття пов'язав простір-час з матерією космосу за допомогою виведених ним рівнянь. В результаті цього виходило, що Всесвіт кінцевий, незмінний у розмірах і має форму правильного циліндра.

На зорі технічного прориву спростувати слова Ейнштейна було ніхто, оскільки його теорія була надто складна навіть найбільших умів початку 20 століття. Оскільки інших варіантів не було, модель циліндричного стаціонарного Всесвіту була прийнята науковою спільнотою як загальноприйнята модель нашого світу. Втім, прожити вона змогла лише кілька років. Після того, як фізики змогли одужати від наукових праць Ейнштейна і почали розбирати їх по поличках, паралельно з цим почали вноситись корективи до теорії відносності та конкретних розрахунків німецького вченого.

У 1922 році в журналі «Известия фізики» раптово виходить стаття російського математика Олександра Фрідмана, в якій той заявляє, що Ейнштейн помилився і наш Всесвіт не стаціонарний. Фрідман пояснює, що твердження німецького вченого щодо незмінності радіусу кривизни простору – помилки, насправді радіус змінюється щодо часу. Відповідно, Всесвіт має розширюватися.

Більше того, тут же Фрідман навів свої припущення щодо того, як саме може розширюватися Всесвіт. Усього моделі було три: пульсуючий Всесвіт (припущення того, що Всесвіт розширюється і стискується з деякою періодичністю в часі); Всесвіт, що розширюється, з маси і третя модель - розширення з точки. Оскільки в ті часи інших моделей не існувало, за винятком божественного втручання, то фізики швидко взяли до уваги всі три моделі Фрідмана і почали розробляти їх у своєму напрямку.

Робота російського математика трохи вразила Ейнштейна, і в тому ж році він публікує статтю, в якій висловлює свої зауваження щодо праць Фрідмана. У ньому німецький фізик намагається довести вірність своїх розрахунків. Вийшло це досить непереконливо, і коли біль від удару по самооцінці трохи спав, Ейнштейн випустив ще одну замітку в журналі «Известия фізики», у якій сказав:

« У попередній замітці я розкритикував названу вище роботу. Однак моя критика, як я переконався з листа Фрідмана, повідомленого мені Крутковим, ґрунтувалася на помилці в обчисленнях. Я вважаю результати Фрідмана правильними і такими, що проливають нове світло».

Вченим довелося визнати, що всі три моделі Фрідмана появи та існування нашого Всесвіту є абсолютно логічними і мають право на життя. Усі три пояснюються зрозумілими математичними розрахунками і залишають питань. Крім одного: з чого Всесвіту починати розширюватися?

Теорія, яка змінила світ

Заяви Ейнштейна та Фрідмана призвели до того, що вчене співтовариство всерйоз задалося питанням походження Всесвіту. Завдяки загальній теорії відносності з'явився шанс пролити світло на наше минуле, і фізики не забули про це скористатися. Одним із вчених, які спробували представити модель нашого світу, став астрофізик Жорж Леметр із Бельгії. Примітним є той факт, що Леметр був католицьким священиком, але при цьому займався математикою та фізикою, що для нашого часу справжній нонсенс.

Жорж Леметр зацікавився рівняннями Ейнштейна, і з їхньою допомогою зміг вирахувати, що наш Всесвіт з'явився в результаті розпаду якоїсь суперчастинки, яка знаходилася поза простором і часом до початку поділу, який можна фактично вважати вибухом. При цьому фізики зазначають, що Леметр першим пролив світло на народження Всесвіту.

Теорія суператома, що вибухнув, влаштувала не тільки вчених, але також і духовенство, яке було дуже незадоволене сучасними науковими відкриттями, під які доводилося придумати нові тлумачення Біблії. Великий вибух не вступав у суттєві протиріччя з релігією, можливо, на це вплинуло виховання самого Леметра, який присвятив своє життя не тільки науці, а й служінню Богу.

22 листопада 1951 року Папа Римський Пій XII зробив заяву, що Теорія великого вибуху не конфліктує з Біблією та католицькими догмами про виникнення світу. Православні священнослужителі також заявили, що ставляться до цієї теорії позитивно. Цю теорію щодо нейтрально сприйняли і прихильники інших релігій, деякі з них навіть сказали, що у їхніх священних писаннях є згадки про Великий Вибух.

Втім, незважаючи на те, що Теорія Великого Вибуху на даний момент є загальноприйнятою космологічною моделлю, вона завела багатьох вчених у безвихідь. З одного боку, вибух суперчастки відмінно вписувався в логіку сучасної фізики, але з іншого внаслідок такого вибуху могли утворитися переважно лише важкі метали, зокрема залізо. Але, як виявилося, Всесвіт складається в основному із надлегких газів – водню та гелію. Щось не сходилося, тож фізики продовжили роботу над теорією походження світу.

Спочатку терміну «Великий вибух» не існувало. Леметр та інші фізики пропонували лише нудну назву «динамічна модель, що еволюціонує», що викликало позіхання у студентів. Лише 1949 року на одній зі своїх лекцій британський астроном і космолог Фрейд Хойл сказав:

«Ця теорія заснована на припущенні, що Всесвіт виник у процесі єдиного потужного вибуху і тому існує лише кінцевий час… Ця ідея Великого вибуху здається мені зовсім незадовільною».

З того часу цей термін став широко використовуватися в наукових колах та представленні широкому загалу про влаштування Всесвіту.

Звідки з'явилися водень та гелій

Наявність легких елементів поставило фізиків у глухий кут, і багато прихильників Теорії Великого Вибуху поставили за мету знайти їх джерело. Протягом багатьох років їм не вдавалося досягти особливих успіхів, поки в 1948 геніальний вчений Георгій Гамов з Ленінграда нарешті не зміг встановити це джерело. Гамов був одним із учнів Фрідмана, тому із задоволенням взявся за розробку теорії свого викладача.

Гамов постарався уявити життя Всесвіту у зворотному напрямі, і відмотав час до того моменту, коли він тільки почав розширюватися. На той час, як відомо, людство вже відкрило принципи термоядерного синтезу, тому теорія Фрідмана-Леметра набула права життя. Коли Всесвіт був зовсім маленьким, він був дуже гарячим, згідно із законами фізики.

На думку Гамова, всього через секунду після Великого вибуху, простір нового Всесвіту заповнили елементарні частинки, які почали взаємодіяти один з одним. В результаті почався термоядерний синтез гелію, який зміг розрахувати для Гамова математик з Одеси Ральф Ашер Альфер. Згідно з підрахунками Альфера, вже через п'ять хвилин після Великого вибуху Всесвіт був заповнений гелієм на стільки, що навіть переконаним противникам Теорії Великого Вибуху доведеться змиритися і прийняти цю модель як основну в космології. Своїми дослідженнями Гамов не лише відкрив нові шляхи вивчення Всесвіту, але також воскресив теорію Леметра.

Незважаючи на стереотипи про вчених, їм не можна відмовити у романтизмі. Свої дослідження щодо теорії Супергарячого Всесвіту на момент Великого вибуху Гамов опублікував у 1948 році у роботі «Походження хімічних елементів». Як колег-помічників він вказав не лише Ральфа Ашера Альфера, а й Ганса Бете – американського астрофізика та майбутнього лауреата Нобелівської премії. На обкладинці книги вийшло Альфер, Бете, Гамов. Нічого не нагадує?

Втім, незважаючи на те, що праці Леметра отримали друге життя, фізики досі не могли відповісти на хвилююче питання: а що було до Великого Вибуху?

Спроби воскресити стаціонарний Всесвіт Ейнштейна

Не всі вчені погоджувалися з теорією Фрідмана-Леметра, але, незважаючи на це, їм доводилося викладати в університетах загальноприйняту космологічну модель. Наприклад астроном Фред Хойл, який сам і запропонував термін «Великий Вибух», насправді вважав, що жодного вибуху не було, і присвятив своє життя спробам це довести.
Хойл став одним із тих учених, які в наш час пропонують альтернативні погляди на сучасний світ. Більшість фізиків досить прохолодно ставляться до заяв подібних людей, але це їх не бентежить.

Щоб осоромити Гамова та його обґрунтування Теорії Великого Вибуху, Хойл разом із однодумцями вирішили розробити свою модель походження Всесвіту. За її основу вони взяли пропозиції Ейнштейна про те, що Всесвіт стаціонарний, і внесли деякі корективи, які пропонують альтернативні причини розширення Всесвіту.

Якщо прихильники теорії Леметра-Фрідмана вважали, що Всесвіт виник з однієї єдиної надщільної точки з нескінченно малим радіусом, то Хойл припустив, що матерія утворюється постійно з точок, що знаходяться між галактиками, що віддаляються один від одного. У першому випадку, з однієї частки утворився весь Всесвіт, з його нескінченним числом зірок та галактик. В іншому випадку одна точка дає речовини стільки, скільки достатньо для виробництва всього однієї галактики.

Неспроможність теорії Хойла в тому, що він так і не зміг пояснити, звідки береться та сама речовина, яка продовжує створювати галактики, в яких знаходяться сотні мільярдів зірок. Фактично Фред Хойл пропонував усім повірити, що структура Всесвіту виникає з нізвідки. Незважаючи на те, що багато фізиків намагалися знайти рішення теорії Хойла, нікому так і не вдалося цього зробити, і через кілька десятиліть ця пропозиція втратила свою актуальність.

Запитання без відповідей

Насправді Теорія Великого Вибуху також дає нам відповіді багато запитань. Наприклад, в умі звичайної людини не може вкластися той факт, що вся навколишня матерія колись була стиснута в одну точку сингулярності, яка за своїми розмірами набагато менше атома. І як так вийшло, що ця суперчастка нагрілася настільки, що запустилася реакція вибуху.

До середини 20 століття теорія Всесвіту, що розширюється, так і не була підтверджена експериментально, тому не мала широкого поширення в навчальних закладах. Все змінилося 1964 року, коли двоє американських астрофізиків — Арно Пензіас та Роберт Вільсон – не вирішили зайнятися дослідженням радіосигналів зоряного неба.

Скануючи випромінювання небесних тіл, а саме Кассіопеї А (одне з найпотужніших джерел радіовипромінювання на зоряному небі), вчені помітили якийсь сторонній шум, який постійно заважав зафіксувати точні дані щодо випромінювання. Куди б вони не направили свою антену, в який час доби вони не починали свої дослідження – цей характерний і постійний шум завжди переслідував їх. Розлютившись до певної міри, Пензіас і Вільсон вирішили вивчити джерело цього шуму і несподівано зробили відкриття, яке змінило світ. Вони відкрили реліктове випромінювання, яке є відлунням того самого Великого Вибуху.

Наш Всесвіт остигає набагато повільніше, ніж чашка гарячого чаю, і реліктове випромінювання свідчить про те, що колись навколишня матерія була дуже гаряча, і тепер охолоджується в міру розширення Всесвіту. Таким чином, всі теорії, пов'язані з холодним Всесвітом, залишилися за бортом, і на озброєння була остаточно прийнята Теорія Великого Вибуху.

У своїх працях Георгій Гамов припускав, що в космосі вдасться виявити фотони, які існують з моменту Великого Вибуху, потрібне лише досконаліше технічне оснащення. Реліктове випромінювання підтверджувало всі його припущення щодо існування Всесвіту. Також з його допомогою вдалося встановити, що вік нашого Всесвіту становить приблизно 14 мільярдів років.

Як і завжди, за практичного доказу будь-якої теорії, відразу виникає безліч альтернативних думок. Деякі фізики з глузуванням сприйняли відкриття реліктового випромінювання як свідчення Великого Вибуху. Незважаючи на те, що Пензіас та Вільсон стали лауреатами Нобелівської премії за своє історичне відкриття, з'явилося багато незгодних з їхніми дослідженнями.

Основними аргументами на користь неспроможності розширення Всесвіту стали розбіжності та логічні помилки. Наприклад, вибух рівноприскорив усі галактики в космосі, проте замість того, щоб віддалятися від нас, галактика Андромеди повільно, але вірно наближається до Чумацького Шляху. Вчені припускають, що ці дві галактики зіштовхнуться між собою лише через якихось 4 мільярди років. На жаль, людство поки що надто молоде, щоб відповісти на це та інші питання.

Теорія рівноваги

У наш час фізики пропонують різні моделі існування Всесвіту. Багато хто з них не витримує навіть простої критики, інші ж отримують право на життя.

Наприкінці 20 століття астрофізик з Америки Едвард Трайон разом зі своїм колегою з Австралії Уорреном Керрі запропонували принципово нову модель Всесвіту, при цьому зробили це незалежно один від одного. В основу своїх досліджень вчені поклали припущення, що у Всесвіті все врівноважено. Маса знищує енергію, і навпаки. Такий принцип стали називати принципом Нульового Всесвіту. В рамках цього Всесвіту нова речовина виникає в точках сингулярності між галактиками, де тяжіння та відштовхування матерії врівноважене.

Теорію Нульового Всесвіту не рознесли в пух і прах тому, що через деякий час вчені змогли відкрити існування темної матерії - загадкової субстанції, з якої майже на 27% складається наш Всесвіт. Ще 68,3% Всесвіту становить більш таємнича та загадкова темна енергія.

Саме завдяки гравітаційним ефектам темної енергії приписують прискорення розширення Всесвіту. До речі, наявність темної енергії в космосі передбачив ще сам Ейнштейн, який бачив, що в його рівняннях щось не сходиться, Всесвіт не вдавалося зробити стаціонарним. Тому він увів у рівняння космологічну постійну – Лямбда-член, за що потім неодноразово звинувачував себе і ненавидів.

Так виходило, що порожній теоретично простір у Всесвіті все ж таки заповнений якимось особливим полем, яке і приводить у дію модель Ейнштейна. У тверезому розумі та за логікою тих часів існування такого поля було просто неможливим, але насправді німецький фізик просто не знав, як описати темну енергію.

***
Можливо, ми ніколи не дізнаємося, як і з чого виник наш Всесвіт. Ще складніше встановити, що було до її існування. Люди схильні боятися того, що не можуть пояснити, тому не виключено, що до кінця часів людство віритиме в тому числі і в божественне вплив на створення навколишнього світу.

Теорія Великого вибуху стала майже такою самою загальноприйнятою космологічною моделлю, як і обертання Землі навколо Сонця. Згідно з теорією, близько 14 млрд років тому спонтанні коливання в абсолютній порожнечі призвели до появи Всесвіту. Щось, порівнянне за розміром із субатомною частинкою, розширилося до неймовірних розмірів за частки секунди. Але в цій теорії існує багато проблем, над якими б'ються фізики, висуваючи нові і нові гіпотези.

Що не так з теорією Великого вибуху

З теорії випливає,що всі планети та зірки утворилися з пилу, розметаного по космосу внаслідок вибуху. Але що передувало йому, неясно: тут наша математична модель простору-часу перестає працювати. Всесвіт виник з початкового сингулярного стану, якого не застосувати сучасну фізику. Теорія також не розглядає причини виникнення сингулярності чи матерії та енергії для її виникнення. Вважається, що відповідь на питання про існування та походження початкової сингулярності дасть теорія квантової гравітації.

Більшість космологічних моделей передбачають,що повний Всесвіт має розмір набагато більший, ніж спостерігається - сферична область з діаметром приблизно 90 млрд світлових років. Ми бачимо тільки ту частину Всесвіту, світло від якого встигло досягти Землі за 13,8 млрд років. Але телескопи стають все кращими, ми виявляємо все більш далекі об'єкти, і поки немає підстав вважати, що цей процес зупиниться.

З моменту Великого вибуху Всесвіт розширюється із прискоренням.Найскладніша загадка сучасної фізики - питання, що викликає прискорення. Згідно з робочою гіпотезою, у Всесвіті міститься невидима складова, яка називається «темною енергією». Теорія Великого вибуху не пояснює, чи Всесвіт розширюватиметься нескінченно, і якщо так, то до чого це призведе - до її зникнення або чогось ще.

Хоча ньютонівську механіку потіснила релятивістська фізика,її не можна назвати помилковою. Проте сприйняття світу та моделі для опису Всесвіту повністю змінилися. Теорія Великого вибуху передбачила низку речей, які були відомі до того. Отже, якщо її місце прийде інша теорія, вона має бути схожою і розширити розуміння світу.

Ми зупинимося на найцікавіших теоріях, що описують альтернативні моделі Великого вибуху.

Всесвіт як міраж чорної діри

Всесвіт виник завдяки колапсу зірки у чотиривимірному Всесвіті, вважають вчені з Інституту теоретичної фізики «Периметр». Результати їх дослідження опублікував журнал Scientific American. Ніайеш Афшорді, Роберт Манн і Разі Пурхасан кажуть, що наш тривимірний Всесвіт став подібністю до «голографічного міражу» при схлопуванні чотиривимірної зірки. На відміну від теорії Великого вибуху, згідно з якою Всесвіт виник з надзвичайно гарячого і щільного простору-часу, де не застосовуються стандартні закони фізики, нова гіпотеза про чотиривимірний всесвіт пояснює як причини зародження, так і його стрімкого розширення

Згідно зі сценарієм, сформульованим Афшорді та його колегами, наш тривимірний Всесвіт - це своєрідна мембрана, яка пливе крізь ще більш об'ємний всесвіт, що існує вже в чотирьох вимірах. Якби в цьому чотиривимірному космосі існували свої чотиривимірні зірки, вони б теж вибухали, як і тривимірні у нашому Всесвіті. Внутрішній шар ставав би чорною діркою, а зовнішній викидався б у простір.

У нашому Всесвіті чорні дірки оточені сферою, яка називається горизонтом подій. І якщо у тривимірному просторі цей кордон двомірний (як мембрана), то в чотиривимірному всесвіті обрій подій буде обмежений сферою, що існує в трьох вимірах. Комп'ютерне моделювання колапсу чотиривимірної зірки показало, що її тривимірний обрій подій поступово розширюватиметься. Саме це ми і спостерігаємо, називаючи зростання 3D-мембрани розширенням Всесвіту, вважають астрофізики.

Велика заморозка

Альтернативою Великому вибуху може бути велике заморожування. Команда фізиків з Мельбурнського університету на чолі з Джеймсом Кватчем представила модель народження Всесвіту, який більше нагадує поступовий процес заморозки аморфної енергії, ніж її виплеск та розширення у трьох напрямках простору.

Безформна енергія, на думку вчених, подібно до води охолодилася до кристалізації, створивши звичні три просторових і один тимчасовий вимір.

Теорія Великого заморожування ставить під сумнів прийняте нині твердження Альберта Ейнштейна про безперервність і плавність простору та часу. Не виключено, що простір має складові - неподільні стандартні блоки на кшталт крихітних атомів або пікселів у комп'ютерній графіці. Ці блоки настільки малі, що їх неможливо спостерігати, проте, за новою теорією, можна виявити дефекти, які повинні заломлювати потоки інших частинок. Вчені вирахували такі ефекти за допомогою математичного апарату, а тепер спробують виявити їх експериментально.

Всесвіт без початку та кінця

Ахмед Фараг Алі з Університету Бенха в Єгипті та Саурія Дас з Університету Летбріджа в Канаді запропонували нове рішення проблему сингулярності, відмовившись від Великого вибуху. Вони привнесли до рівняння Фрідмана, що описує розширення Всесвіту та Великий вибух, ідеї відомого фізика Девіда Бома. «Дивно, що невеликі поправки потенційно можуть вирішити багато питань», - говорить Дас.

Отримана модель об'єднала у собі загальну теорію відносності та квантову теорію. Вона не лише заперечує сингулярність, що передувала Великому вибуху, а й не допускає того, що Всесвіт згодом стиснеться назад до початкового стану. Згідно з отриманими даними, Всесвіт має кінцевий розмір та нескінченний час життя. У фізичному вираженні модель описує Всесвіт, наповнений гіпотетичною квантовою рідиною, що складається з гравітонів - частинок, що забезпечують гравітаційну взаємодію.

Вчені також стверджують, що їхні висновки співвідносяться з останніми результатами вимірювання густини Всесвіту.

Нескінченна хаотична інфляція

Термін «інфляція» означає стрімке розширення Всесвіту, що відбувалося за експонентом у перші миті після Великого вибуху. Сама собою теорія інфляції не спростовує теорію Великого вибуху, лише по-іншому інтерпретує її. Ця теорія вирішує кілька фундаментальних проблем фізики.

Згідно з інфляційною моделлю, незабаром після зародження Всесвіт дуже короткий час розширювався за експонентом: його розмір багаторазово подвоювався. Вчені вважають, що за 10 -36 ступеня секунд Всесвіт збільшився в розмірах як мінімум в 10 - 30-50 ступеня разів, а можливо, і більше. Наприкінці інфляційної фази Всесвіт заповнився надгарячою плазмою із вільних кварків, глюонів, лептонів та високоенергетичних квантів.

Концепція має на увазі, що у світі існує безліч ізольованих один від одного всесвітівз різним пристроєм

Фізики дійшли висновку, що логіка інфляційної моделі не суперечить ідеї постійного множинного народження нових всесвітів. Квантові флуктуації – такі ж, як ті, через які з'явився наш світ – можуть виникати у будь-якій кількості, якщо для цього є відповідні умови. Цілком можливо, що наша світобудова вийшла з флуктуаційної зони, що сформувалася у світі-попереднику. Можна також припустити, що колись і десь у нашому Всесвіті утворюється флуктуація, яка «видує» юний всесвіт зовсім іншого роду. За такою моделлю дочірні всесвіти можуть відгалужуватися безперервно. При цьому зовсім не обов'язково, що в нових світах встановлюються ті самі фізичні закони. Концепція має на увазі, що у світі існує безліч ізольованих один від одного всесвітів з різним пристроєм.

Циклічна теорія

Пол Стейнхардт, один із фізиків, які заклали основи інфляційної космології, вирішив розвинути цю теорію і надалі. Вчений, який очолює Центр теоретичної фізики в Прінстоні, спільно з Нейлом Тьюроком з Інституту теоретичної фізики «Периметр» виклав альтернативну теорію у книзі Endless Universe: Beyond the Big Bang («Нескінченний Всесвіт: За межею Великого вибуху»).Їхня модель заснована на узагальненні теорії квантових суперструн, відомої як М-теорія. Відповідно до неї, фізичний світ має 11 вимірів - десять просторових та один тимчасовий. У ньому «плавають» простори менших розмірностей, так звані брани (Скорочення від «мембрани»).Наш Всесвіт - просто одна з таких лайок.

Модель Стейнхардта і Тьюрока стверджує, що Великий вибух стався внаслідок зіткнення нашої лайки з іншою браною - невідомої нам всесвіту. За цим сценарієм зіткнення відбуваються нескінченно. Згідно з гіпотезою Стейнхардта і Тьюрока, поруч із нашою браною «плаває» ще одна тривимірна брана, відокремлена крихітною відстанню. Вона також розширюється, сплощується і пустіє, але через трильйон років лайки почнуть зближуватися і зрештою зіткнуться. При цьому виділиться величезна кількість енергії, частинок та випромінювання. Цей катаклізм запустить черговий цикл розширення та охолодження Всесвіту. З моделі Стейнхардта і Тьюрока випливає, що ці цикли були і в минулому і обов'язково повторяться у майбутньому. З чого ці цикли почалися, теорія замовчує.

Всесвіт
як комп'ютер

Ще одна гіпотеза про пристрій всесвіту говорить, що весь наш світ - це не більше ніж матриця або комп'ютерна програма. Ідею про те, що Всесвіт є цифровим комп'ютером, вперше висунув німецький інженер і піонер комп'ютеробудування Конрад Цузе в книзі Calculating Space. («Обчислювальний простір»).Серед тих, хто також розглядав Всесвіт як гігантський комп'ютер, значаться фізики Стівен Вольфрам і Герард "т Хоофт".

Теоретики цифрової фізики припускають, що Всесвіт - по суті інформація, і, отже, вона обчислювана. З цих припущень випливає, що Всесвіт можна розглядати як результат роботи комп'ютерної програми або цифрового обчислювального пристрою. Цей комп'ютер може бути, наприклад, гігантським клітинним автоматом або універсальною машиною Тьюринга.

Непрямим доказом віртуальної природи Всесвітуназивають принцип невизначеності у квантовій механіці

Відповідно до теорії, будь-який предмет і подія фізичного світу походить із постановки питань та реєстрації відповідей «так» чи «ні». Тобто за всім, що нас оточує, ховається код, аналогічний бінарному коду комп'ютерної програми. А ми – свого роду інтерфейс, за допомогою якого з'являється доступ до даних «всесвітнього інтернету». Непрямим доказом віртуальної природи Всесвіту називають принцип невизначеності в квантовій механіці: частинки матерії можуть існувати у нестійкій формі, а «закріплюються» у конкретному стані лише при спостереженні за ними.

Послідовник цифрової фізики Джон Арчібальд Вілер писав: «Не було б нерозумним уявити, що інформація знаходиться в ядрі фізики так само, як у ядрі комп'ютера. Усі з біта. Іншими словами, все суще - кожна частка, кожне силове поле, навіть сам просторово-часовий континуум - отримує свою функцію, свій сенс і, зрештою, саме своє існування».

12. Чим викликаний Великий вибух?

Парадокс виникнення

Жодна з лекцій з космології, які мені доводилося читати, не обходилася без запитання про те, чим був викликаний Великий вибух? Ще кілька років тому я не знав справжньої відповіді; сьогодні, гадаю, він відомий.

По суті, у цьому питанні в завуальованій формі міститься два питання. По-перше, нам хотілося б знати, чому розвиток Всесвіту розпочався з вибуху і чим насамперед був викликаний цей вибух. Але за суто фізичною проблемою ховається інша, глибша проблема філософського характеру. Якщо Великий вибух знаменує початок фізичного існування Всесвіту, включаючи виникнення простору та часу, то в якому сенсі можна говорити про те, що викликалоцей вибух?

З погляду фізики раптове виникнення Всесвіту внаслідок гігантського вибуху є певною мірою парадоксальним. З чотирьох керуючих світом взаємодій лише гравітація проявляється у космічному масштабі, причому, як свідчить наш досвід, гравітація має характер тяжіння. Однак для вибуху, що ознаменував народження Всесвіту, мабуть, потрібна була сила відштовхування неймовірної величини, яка змогла на шматки розірвати космос і викликати його розширення, що триває і до цього дня.

Це здається дивним, оскільки, якщо у Всесвіті панують сили гравітації, то слід було б не розширюватися, а стискатися. Справді, гравітаційні сили тяжіння змушують фізичні об'єкти стискатися, а чи не вибухати. Наприклад, дуже щільна зірка втрачає здатність протистояти власній вазі та колапсує, утворюючи нейтронну зірку або чорну дірку. Ступінь стиснення речовини в дуже ранньому Всесвіті була значно вищою, ніж у самої щільної зірки; тому нерідко виникає питання, чому первинний космос із самого початку не сколапсував у чорну дірку.

Зазвичай на це відповідають, що первинний вибух слід просто брати за початкову умову. Така відповідь явно не задовільна і викликає подив. Безумовно, під впливом гравітації швидкість космічного розширення від початку безперервно зменшувалася, однак у момент народження Всесвіт розширювався нескінченно швидко. Вибух не був викликаний якоюсь силою - просто розвиток Всесвіту розпочався з розширення. Якби вибух виявився менш сильним, гравітація дуже скоро перешкодила б розльоту речовини. В результаті розширення змінилося б стисненням, яке набуло б катастрофічного характеру і перетворило Всесвіт на щось подібне до чорної діри. Але насправді вибух виявився досить «великим», що дало можливість Всесвіту, подолавши власну гравітацію, або продовжувати вічно розширюватися за рахунок сили первинного вибуху, або принаймні проіснувати протягом багатьох мільярдів років, перш ніж зазнати стиснення і піти в небуття.

Недолік цієї традиційної картини полягає в тому, що вона жодною мірою не пояснює Великого вибуху. Фундаментальна властивість Всесвіту знову просто трактується як початкова умова, прийнята ad hoc(на даний випадок); сутнісно, ​​тут лише стверджується, що Великий вибух мав місце. Як і раніше, залишається незрозумілим, чому сила вибуху була саме такою, а не іншою. Чому вибух не був ще сильнішим, щоб Всесвіт розширювався зараз значно швидше? Можна також запитати, чому Всесвіт нині не розширюється значно повільніше чи взагалі стискається. Зрозуміло, якби вибух не мав достатньої сили, Всесвіт незабаром колапсував і нікому було б ставити подібні питання. Навряд, однак, подібні міркування можна сприйняти як пояснення.

При більш детальному аналізі виявляється, що феномен походження Всесвіту насправді ще складніший, ніж описано вище. Ретельні виміри показують, що швидкість розширення Всесвіту дуже близька до критичного значення, при якому Всесвіт здатний подолати власну гравітацію та розширюватися вічно. Якби ця швидкість трохи менша - і стався б колапс Всесвіту, а якби вона була трохи більше - космічна речовина давно б повністю розвіялася. Цікаво з'ясувати, наскільки точно швидкість розширення Всесвіту потрапляє до цього дуже вузького допустимого інтервалу між двома можливими катастрофами. Якби в момент часу, що відповідає 1 с, коли картина розширення вже чітко визначилася, швидкість розширення відрізнялася б від свого реального значення більш ніж на 10^-18 цього виявилося б достатньо для повного порушення тонкого балансу. Таким чином, сила вибуху Всесвіту з майже неймовірною точністю відповідає його гравітаційній взаємодії. Великий вибух, таким чином, це не просто якийсь далекий вибух – це був вибух цілком певної сили. У традиційному варіанті теорії Великого Вибуху доводиться приймати не лише сам факт вибуху, а й те, що вибух стався надзвичайно вибагливим чином. Інакше кажучи, початкові умови виявляються виключно специфічними.

Швидкість розширення Всесвіту - лише з кількох очевидних космічних загадок. Інша пов'язана з картиною розширення Всесвіту у просторі. За даними сучасних спостережень. Всесвіт у великих масштабах надзвичайно однорідний, що стосується розподілу речовини та енергії. Глобальна структура космосу майже однакова як із спостереженні із Землі, і з віддаленої галактики. Галактики розпорошені в просторі з однаковою середньою щільністю, і з кожної точки Всесвіт виглядає однаково в усіх напрямках. Заповнююче Всесвіт первинне теплове випромінювання падає на Землю, маючи в усіх напрямках ту саму температуру з точністю не нижче 10-4 . Це випромінювання на шляху до нас проходить у просторі мільярди світлових років і несе на собі відбиток будь-якого відхилення від однорідності, що зустрічається.

Великомасштабна однорідність Всесвіту зберігається в міру розширення Всесвіту. Звідси випливає, що розширення відбувається однорідно та ізотропно з дуже високим ступенем точності. Це означає, що швидкість розширення Всесвіту не тільки однакова в усіх напрямках, а й постійна у різних галузях. Якби Всесвіт в одному напрямку розширювався швидше, ніж в інших, це призвело б до зменшення температури фонового теплового випромінювання в цьому напрямку і змінило б видиму з Землі картину руху галактик. Отже, еволюція Всесвіту непросто розпочалася з вибуху суворо певної сили - вибух було чітко «організовано», тобто. стався одночасно, точно з однаковою силою у всіх точках та в усіх напрямках.

Вкрай малоймовірно, щоб подібне одночасне та узгоджене виверження могло статися суто мимовільно, і цей сумнів посилюється в рамках традиційної теорії Великого вибуху тим, що різні області первинного космосу причинно не пов'язані один з одним. Справа в тому, що, згідно з теорією відносності, ніякий фізичний вплив не може поширюватися швидше за світло. Отже, різні області простору можуть бути причинно пов'язаними один з одним лише після певного проміжку часу. Наприклад, через 1с після вибуху світло може пройти відстань трохи більше однієї світлової секунди, що відповідає 300 тис. км. Області Всесвіту, розділені великою відстанню, через 1с ще впливатимуть друг на друга. Але на той момент спостерігається нами область Всесвіту вже займала простір щонайменше 10^14 км у поперечнику. Отже, Всесвіт складався приблизно з 1027 причинно не пов'язаних один з одним областей, кожна з яких, тим не менш, розширювалася з точно однаковою швидкістю. Навіть сьогодні, спостерігаючи теплове космічне випромінювання, що йде з протилежних сторін зоряного неба, ми реєструємо абсолютно однакові «дактилоскопічні» відбитки областей Всесвіту, розділених величезними відстанями: ці відстані виявляються в 90 з лишком разів більшими за відстань, яка могла б пройти світло з моменту випромінювання теплових .

Як пояснити таку чудову узгодженість різних галузей простору, які, очевидно, ніколи не були пов'язані один з одним? Як виникла така подібна поведінка? У традиційному відповіді знову звучить посилання особливі початкові умови. Виняткова однорідність властивостей первинного вибуху розглядається просто як факт: так виник Всесвіт.

Великомасштабна однорідність Всесвіту виглядає ще більш загадковою, якщо врахувати, що в малих масштабах Всесвіт аж ніяк не однорідний. Існування окремих галактик і галактичних скупчень свідчить про відхилення від суворої однорідності, причому це відхилення ще й повсюдно однаково за масштабами і величиною. Оскільки гравітація прагне збільшити будь-яке початкове скупчення речовини, ступінь неоднорідності, необхідна освіти галактик, під час Великого вибуху була значно менше, ніж тепер. Однак у початковій фазі Великого вибуху повинна була бути присутня невелика неоднорідність, інакше галактики ніколи б не утворилися. У старій теорії Великого вибуху ці неоднорідності на ранній стадії також приписувалися «початковим умовам». Таким чином, ми повинні були повірити, що розвиток Всесвіту почався не з ідеального, а з вкрай незвичайного стану.

Усе сказане можна підсумовувати так: якщо єдиною силою у Всесвіті є гравітаційне тяжіння, то Великий вибух слід трактувати як «посланий богом», тобто. не має причини, із заданими початковими умовами. З іншого боку, йому характерна разюча узгодженість; щоб прийти до існуючої структури, Всесвіт повинен був спочатку розвиватися належним чином. У цьому полягає парадокс виникнення Всесвіту.

Пошук антигравітації

Парадокс виникнення Всесвіту вдалося вирішити лише останніми роками; однак основну ідею рішення можна простежити у далекій історії, у ті часи, коли ще не існувало ні теорії розширення Всесвіту, ні теорії Великого вибуху. Ще Ньютон розумів, як складну проблему представляє стійкість Всесвіту. Як зірки зберігають своє становище у просторі, не маючи опори? Універсальний характер гравітаційного тяжіння повинен був призвести до стягування зірок у скупчення впритул один до одного.

Щоб уникнути цієї безглуздості, Ньютон вдався до дуже цікавого міркування. Якби Всесвіт колапсував під впливом своєї гравітації, кожна зірка «падала» в напрямку центру скупчення зірок. Припустимо, однак, що Всесвіт нескінченний і зірки розподілені в середньому рівномірно по нескінченному простору. В цьому випадку взагалі був би відсутній загальний центр, до якого могли б падати всі зірки, - адже в нескінченному Всесвіті всі області ідентичні. Будь-яка зірка відчувала б вплив гравітаційного тяжіння всіх своїх сусідів, але внаслідок усереднення цих впливів у різних напрямах не виникло б жодної результуючої сили, яка прагне перемістити цю зірку у певне положення щодо всієї сукупності зірок.

Коли через 200 років після Ньютона Ейнштейн створив нову теорію гравітації, він також був спантеличений проблемою, яким чином Всесвіту вдається уникнути колапсу. Його перша робота з космології була опублікована до того, як Хаббл відкрив розширення Всесвіту; тому Ейнштейн, подібно до Ньютона, припускав, що Всесвіт статичний. Однак Ейнштейн намагався вирішити проблему стійкості Всесвіту набагато прямішим шляхом. Він вважав, що для запобігання колапсу Всесвіту під дією його власної гравітації має існувати інша космічна сила, яка б могла протистояти гравітації. Ця сила має бути скоріше силою відштовхування, а не тяжіння, щоб компенсувати гравітаційне тяжіння. У цьому сенсі подібну силу можна було б назвати «антигравітаційною», хоча правильніше говорити про силу космічного відштовхування. Ейнштейн у цьому випадку не просто довільно вигадав цю силу. Він показав, що в його рівняння гравітаційного поля можна ввести додатковий член, який призводить до появи сили, що має потрібні властивості.

Незважаючи на те, що уявлення про силу відштовхування, що протидіє силі гравітації, саме собою досить просто і природно, насправді властивості такої сили виявляються зовсім незвичайними. Зрозуміло, жодної подібної сили на Землі не помічено, і жодного натяку на неї не виявлено протягом кількох століть існування планетної астрономії. Очевидно, якщо сила космічного відштовхування і існує, то вона не повинна надавати скільки-небудь помітного на малих відстанях, але її величина значно зростає в астрономічних масштабах. Подібна поведінка суперечить усьому попередньому досвіду вивчення природи сил: зазвичай вони інтенсивні на малих відстанях і слабшають із збільшенням відстані. Так, електромагнітна та гравітаційна взаємодії безупинно зменшуються за законом зворотних квадратів. Проте, теоретично Ейнштейна природним чином з'явилася сила з такими досить незвичайними властивостями.

Не слід думати про введену Ейнштейну силу космічного відштовхування як про п'яту взаємодію в природі. Це просто химерний прояв гравітації. Неважко показати, що ефекти космічного відштовхування можна віднести на рахунок звичайної гравітації, якщо джерелом гравітаційного поля вибрати середовище з незвичайними властивостями. Звичайне матеріальне середовище (наприклад, газ) чинить тиск, тоді як гіпотетичне середовище, що обговорюється тут, повинно мати негативнимтиском, чи натягом. Щоб наочно уявити, про що йдеться, уявимо, що нам вдалося наповнити такою космічною речовиною посудину. Тоді на відміну від звичайного газу, гіпотетичне космічна середовище не тиснутиме на стінки судини, а прагнути втягнути їх усередину судини.

Таким чином, ми можемо розглядати космічне відштовхування як свого роду доповнення гравітації або як явище, обумовлене звичайною гравітацією, властивою невидимому газоподібному середовищу, що заповнює весь простір і має негативний тиск. Немає жодної суперечності в тому, що, з одного боку, негативний тиск як би всмоктує всередину стінки судини, а з іншого - це гіпотетичне середовище відштовхує галактики, а не притягує їх. Адже відштовхування обумовлено гравітацією середовища, а аж ніяк не механічною дією. У будь-якому випадку, механічні сили створюються не самим тиском, а різницею тисків, але передбачається, що гіпотетичне середовище заповнює весь простір. Її не можна обмежити стінками судини, і спостерігач, що знаходиться в цьому середовищі, взагалі не сприймав би її як відчутну субстанцію. Простір виглядав би і сприймався абсолютно порожнім.

Незважаючи на такі дивовижні особливості гіпотетичного середовища, Ейнштейн свого часу заявив, що побудував задовільну модель Всесвіту, в якій підтримується рівновага між гравітаційним тяжінням та відкритим космічним відштовхуванням. За допомогою нескладних розрахунків Ейнштейн оцінив величину сили космічного відштовхування, необхідну для врівноваження гравітації у Всесвіті. Йому вдалося підтвердити, що відштовхування має бути настільки малим у межах Сонячної системи (і навіть у масштабах Галактики), що його неможливо виявити експериментально. Якийсь час здавалося, що вікову загадку блискуче вирішено.

Однак потім ситуація змінилася на гірше. Насамперед, виникла проблема стійкості рівноваги. Основна ідея Ейнштейна ґрунтувалася на строгому балансі сил тяжіння та відштовхування. Але, як і в багатьох інших випадках суворого балансу, тут також виявились тонкі деталі. Якби, наприклад, статичний всесвіт Ейнштейна трохи розширився, то гравітаційне тяжіння (що слабшає з відстанню) дещо зменшилося б, тоді як сила космічного відштовхування (зростаюча з відстанню) злегка зросла б. Це призвело б до порушення балансу на користь сил відштовхування, що викликало б подальше необмежену розширення Всесвіту під дією всепереможного відштовхування. Якби, навпаки, статичний всесвіт Ейнштейна злегка б стиснувся, то гравітаційна сила зросла, а сила космічного відштовхування зменшилася, що призвело б до порушення балансу на користь сил тяжіння і, як наслідок, до дедалі швидшого стиснення, а зрештою - до колапсу, якого, здавалося Ейнштейну, він уникнув. Таким чином, за найменшого відхилення суворий баланс порушився б, і космічна катастрофа була б неминуча.

Пізніше, в 1927 р., Хаббл відкрив явище розбігання галактик (тобто розширення Всесвіту), що позбавило сенсу проблему рівноваги. Стало ясно, що Всесвіту не загрожує стиск та колапс, оскільки він розширюється.Якби Ейнштейн не був відвернений пошуком сили космічного відштовхування, він напевно дійшов би цього висновку теоретично, передбачивши таким чином розширення Всесвіту на добрий десяток років раніше, ніж його вдалося відкрити астрономам. Таке передбачення, безсумнівно, увійшло б історію науки як одне з найвидатніших (таке передбачення і було зроблено з урахуванням рівняння Ейнштейна в 1922-1923 рр. професором Петроградського університету А. А. Фрідманом). Зрештою Ейнштейну довелося з досадою зректися космічного відштовхування, яке він згодом вважав «найбільшою помилкою свого життя». Однак на цьому історія аж ніяк не закінчилася.

Ейнштейн вигадав космічне відштовхування для вирішення неіснуючої проблеми статичного всесвіту. Але, як це завжди буває, джина, випущеного з пляшки, неможливо загнати назад. Ідея про те, що і динаміка Всесвіту, можливо, обумовлена ​​протиборством сил тяжіння та відштовхування, продовжувала жити. І хоча астрономічні спостереження не давали жодних свідчень про існування космічного відштовхування, вони не могли довести і його відсутність - воно могло бути просто занадто слабким, щоб проявитися.

Рівняння гравітаційного поля Ейнштейна, хоча допускають наявність сили відштовхування: не накладають обмежень її величину. Навчений гірким досвідом, Ейнштейн мав право постулювати, що величина цієї сили строго дорівнює нулю, тим самим повністю виключаючи відштовхування. Однак це було аж ніяк не обов'язково. Деякі вчені визнали за необхідне зберегти відштовхування в рівняннях, хоча в цьому вже не було потреби з погляду початкового завдання. Ці вчені вважали, що за відсутності належних доказів немає підстав вважати силу відштовхування рівною нулю.

Не становило особливих труднощів простежити наслідки, до яких призводить збереження сили відштовхування в сценарії Всесвіту, що розширюється. На ранніх етапах розвитку, коли Всесвіт ще перебуває у стислому стані, відштовхуванням можна знехтувати. Протягом цієї фази гравітаційне тяжіння уповільнювало темп розширення - у повній аналогії про те, як тяжіння Землі уповільнює рух ракети, запущеної вертикально вгору. Якщо прийняти без пояснень, що еволюція Всесвіту почалася з швидкого розширення, гравітація повинна постійно зменшувати швидкість розширення до величини, що спостерігається в даний час. З часом у міру розсіювання речовини гравітаційна взаємодія слабшає. Навпаки, космічне відштовхування зростає, оскільки галактики продовжують віддалятися одна від одної. Зрештою, відштовхування перевершить гравітаційне тяжіння і швидкість розширення Всесвіту знову почне зростати. Звідси можна дійти невтішного висновку, що у Всесвіті домінує космічне відштовхування, і розширення відбуватиметься вічно.

Астрономи показали, що така незвичайна поведінка Всесвіту, коли розширення спочатку сповільнюється, а потім знову прискорюється, мало б позначитися на русі галактик, що спостерігається. Але за найретельніших астрономічних спостереженнях зірвалася виявити будь-яких переконливих свідчень такого поведінки, хоча іноді висловлюються і протилежні твердження.

Цікаво, що ідею Всесвіту, що розширюється, голландський астроном Вілем де Сіттер висунув ще в 1916 р. - за багато років до того, як Хаббл експериментально відкрив це явище. Де Сіттер стверджував, що якщо з Всесвіту видалити звичайну речовину, то гравітаційне тяжіння зникне, і в космосі пануватиме сили відштовхування. Це викличе розширення Всесвіту – на той час це була новаторська ідея.

Оскільки спостерігач не може сприймати дивне невидиме газоподібне середовище з негативним тиском, йому просто здаватиметься, ніби розширюється порожній простір. Розширення можна було б виявити, повісивши у різні місця пробні тіла та спостерігаючи їх видалення один від одного. Уявлення про розширення порожнього простору розглядалося в той час як кур'єз, хоча, як ми побачимо, саме воно виявилося пророчим.

Отже, який висновок можна зробити з цієї історій? Той факт, що астрономи не виявляють космічного відштовхування, ще не може бути логічним доказом його відсутності в природі. Цілком можливо, що воно просто надто слабке, щоб його вдалося зареєструвати сучасними приладами. Точність спостереження завжди обмежена, і тому можна оцінити лише верхню межу цієї сили. Проти цього можна було б заперечити, що з естетичної точки зору закони природи виглядали б простіше за відсутності космічного відштовхування. Подібні обговорення тривали багато років, не призводячи до певних результатів, поки раптово на проблему не глянули під новим ракурсом, який надав їй несподіваної актуальності.

Інфляція: пояснення Великого вибуху

У попередніх розділах ми говорили, що якщо сила космічного відштовхування і існує, то вона повинна бути дуже слабкою, настільки слабкою, щоб не вплинути на Великий вибух. Однак такий висновок ґрунтується на припущенні, що величина відштовхування не змінюється з часом. Під час Ейнштейна цю думку поділяли усі вчені, оскільки космічне відштовхування вводилося в теорію «рукотворно». Нікому не спадало на думку, що космічне відштовхування може викликатисяіншими фізичними процесами, що виникають у міру розширення Всесвіту. Якби така можливість передбачалася, то космологія могла виявитися іншою. Зокрема, не виключається сценарій еволюції Всесвіту, який припускає, що в екстремальних умовах ранніх стадій еволюції космічне відштовхування якусь мить переважало над гравітацією, змусивши Всесвіт вибухнути, після чого його роль практично звелася до нуля.

Ця загальна картина вимальовується з останніх робіт з вивчення поведінки матерії та сил на ранніх етапах розвитку Всесвіту. Стало зрозуміло, що гігантське космічне відштовхування – неминучий результат дії Суперсили. Отже, "антигравітація", яку Ейнштейн прогнав у двері, повернулася через вікно!

Ключ до розуміння нового відкриття космічного відштовхування дає природа квантового вакууму. Ми бачили, як таке відштовхування може бути зумовлене незвичайним невидимим середовищем, яке не відрізняється від порожнього простору, але має негативний тиск. Сьогодні фізики вважають, що саме такі властивості має квантовий вакуум.

У гл.7 зазначалося, що вакуум слід розглядати як свого роду «фермент» квантової активності, що кишить віртуальними частинками та насичений складними взаємодіями. Дуже важливо зрозуміти, що в рамках квантового опису вакуум відіграє визначальну роль. Те, що ми називаємо частинками - лише рідкісні обурення, подібні «бульбашкам» на поверхні цілого моря активності.

Наприкінці 70-х стало очевидно, що об'єднання чотирьох взаємодій вимагає повного перегляду уявлень про фізичну природу вакууму. Теорія передбачає, що енергія вакууму проявляється зовсім на однозначно. Просто кажучи, вакуум може бути збудженим і перебувати в одному з багатьох станів з енергіями, що сильно розрізняються, подібно до того як атом може збуджуватися, переходячи на рівні з більш високою енергією. Ці власні стани вакууму - якби ми могли їх спостерігати - виглядали б абсолютно однаково, хоча мають зовсім різні властивості.

Насамперед, ув'язнена у вакуумі енергія у величезних кількостях перетікає з одного стану до іншого. У теоріях Великого об'єднання, наприклад, відмінність між найнижчою і найвищою енергіями вакууму неймовірно велика. Щоб отримати якесь уявлення про гігантські масштаби цих величин, оцінимо енергію, виділену Сонцем за період його існування (близько 5 млрд. років). Уявімо, що вся ця колосальна кількість випущеної Сонцем енергії укладена в область простору, за розмірами меншу за Сонячну систему. Досягнуті в цьому випадку густини енергії близькі до густин енергії, що відповідає стану вакууму в ТВО.

Поруч із приголомшливими різницями енергій різним вакуумним станам відповідають так само гігантські різниці тисків. Але тут і криється «фокус»: всі ці тиски - негативні.Квантовий вакуум поводиться так само, як згадане раніше гіпотетичне середовище, що створює космічне відштовхування, тільки цього разу чисельні значення тиску настільки великі, що відштовхування в 10^120 разів перевищує силу, яка знадобилася Ейнштейну для підтримки рівноваги в статичному Всесвіті.

Тепер відкрито шлях і пояснення Великого вибуху. Припустимо, що спочатку Всесвіт перебував у збудженому стані вакууму, який називають «хибним» вакуумом. У цьому стані у Всесвіті діяло космічне відштовхування такої величини, яке викликало б нестримне та стрімке розширення Всесвіту. По суті, у цій фазі Всесвіт відповідав би моделі де Сіттера, про яку йшлося у попередньому розділі. Різниця, однак, полягає в тому, що у де Сіттера Всесвіт спокійно розширюється в астрономічних масштабах часу, тоді як "фаза де Сіттера" в еволюції Всесвіту з "хибного" квантового вакууму насправді далеко не спокійна. Обсяг простору, що займається Всесвітом, повинен у цьому випадку подвоюватися кожні 10^-34 с (або проміжок часу такого ж порядку).

Подібне надрозширення Всесвіту має ряд характерних рис: всі відстані зростають за експоненційним законом (з поняттям експоненти ми вже зустрічалися в гл.4). Це означає, що кожні 10^-34 з усі області Всесвіту подвоюють свої розміри, а потім цей процес подвоєння продовжується в геометричній прогресії. Такий тип розширення, вперше розглянутий 1980г. Аланом Гутом із МТІ (Масачусетський технологічний інститут, США) був названий ним «інфляцією». В результаті надзвичайно швидкого розширення, що безперервно прискорюється, дуже скоро виявилося б, що всі частини Всесвіту розлітаються, як при вибуху. А це і є Великий вибух!

Проте так чи інакше, але фаза інфляції має припинитися. Як і у всіх збуджених квантових системах, «хибний» вакуум нестійкий і прагне розпаду. Коли розпад відбувається, відштовхування зникає. Це у свою чергу веде до припинення інфляції та переходу Всесвіту до влади звичайного гравітаційного тяжіння. Зрозуміло, Всесвіт і в цьому випадку продовжував би розширюватися завдяки початковому імпульсу, набутому в період інфляції, проте швидкість розширення неухильно знижувалась. Таким чином, єдиний слід, що зберігся досі від космічного відштовхування, - це поступове уповільнення розширення Всесвіту.

Згідно з «інфляційним сценарієм», Всесвіт почав своє існування зі стану вакууму, позбавленого речовини та випромінювання. Але, якби навіть вони були спочатку, їх сліди швидко загубилися б внаслідок величезної швидкості розширення у фазі інфляції. За надзвичайно короткий відрізок часу, що відповідає цій фазі, область простору, яку сьогодні займає весь Всесвіт, що спостерігається, зросла від мільярдної частки розміру протона до декількох сантиметрів. Щільність будь-якого речовини, що існувала спочатку, фактично стала б рівною нулю.

Отже, до кінця фази інфляції Всесвіт був порожнім і холодним. Однак, коли інфляція вичерпалася, Всесвіт раптом став надзвичайно «гарячим». Цей сплеск тепла, що висвітлив космос, зумовлений величезними запасами енергії, укладеними у «хибному» вакуумі. Коли стан вакууму розпався, його енергія вивільнилася у вигляді випромінювання, яке миттєво нагріло Всесвіт приблизно до 10^27 К, що достатньо для протікання процесів у ТВО. З цього моменту Всесвіт розвивався згідно зі стандартною теорією «гарячого» Великого вибуху. Завдяки тепловій енергії виникла речовина і антиречовина, потім Всесвіт почав остигати, і поступово почали «виморожуватися» всі її елементи, що спостерігаються сьогодні.

Таким чином, важку проблему – чим викликаний Великий вибух? - Вдалося вирішити за допомогою теорії інфляції; порожній простір мимоволі вибухнув під впливом відштовхування, властивого квантовому вакууму. Проте загадка, як і раніше, залишається. Колосальна енергія первинного вибуху, що пішла на утворення речовини та випромінювання, що існують у Всесвіті, мала звідкись узятися! Ми не зможемо пояснити існування Всесвіту, доки не знайдемо джерело первинної енергії.

Космічний бутстреп

Англ. bootstrapу буквальному значенні означає «зашнурівка», у переносному – самоузгодження, відсутність ієрархії у системі елементарних частинок.

Всесвіт народився у процесі гігантського викиду енергії. Сліди її ми виявляємо досі - це фонове теплове випромінювання та космічну речовину (зокрема, атоми, з яких складаються зірки та планети), що зберігає певну енергію у вигляді «маси». Сліди цієї енергії проявляються також у розбіганні галактик та у бурхливій активності астрономічних об'єктів. Первинна енергія «завела пружину» Всесвіту, що народжується, і до цього дня продовжує приводити її в дію.

Звідки ж узялася ця енергія, що вдихнула життя у наш Всесвіт? Відповідно до теорії інфляції, це – енергія порожнього простору, інакше – квантового вакууму. Однак, чи може така відповідь повністю задовольнити нас? Природно запитати, як придбав енергію вакуум.

Взагалі, ставлячи питання про те, звідки виникла енергія, ми робимо важливе припущення про природу цієї енергії. Одним із фундаментальних законів фізики є закон збереження енергії,згідно з яким різні форми енергії можуть змінюватися і переходити одна в одну, проте повна кількість енергії залишається незмінною.

Неважко навести приклади, де можна перевірити дію цього закону. Припустимо, у нас є двигун і запас пального, причому двигун використовується як привод електричного генератора, який у свою чергу живить електроенергією нагрівач. При згорянні палива запасена в ньому хімічна енергія перетворюється на механічну, потім електричну і, нарешті, теплову. Або припустимо, що двигун, що використовується для підйому вантажу на вершину вежі, після чого вантаж вільно падає; при ударі об землю виникає точно така ж кількість теплової енергії, як і в прикладі з нагрівачем. Справа в тому, що, хоч би як енергія передавалася або як би не змінювалася її форма, її, очевидно, не можна ні створити, ні знищити. Цим законом інженери користуються у повсякденній практиці.

Якщо енергію не можна ні створити, ні знищити, то як же виникає первинна енергія? Чи не впорскується вона просто в перший момент (своєї нової початкової умови, прийняте ad hoc)? Якщо так, то чому Всесвіт містить дану, а не якусь іншу кількість енергії? У доступній спостереженню Всесвіту укладено близько 10^68 Дж (джоулів) енергії - чому, скажімо, не 10^99 чи 10^10000 чи інше число?

Теорія інфляції пропонує одне із можливих наукових пояснень цієї загадки. Відповідно до цієї теорії. Всесвіт спочатку мав енергію, фактично рівну нулю, і за перші 10^32 з нею вдалося викликати до життя всю гігантську кількість енергії. Ключ до розуміння цього дива слід шукати в тому чудовому факті, що закон збереження енергії у звичайному розумінні не застосовуєтьсядо Всесвіту, що розширюється.

По суті ми вже зустрічалися з подібним фактом. Космологічне розширення призводить до зниження температури Всесвіту: відповідно енергія теплового випромінювання, така велика в первинній фазі, виснажується і температура опускається до значень, близьких до абсолютного нуля. Куди поділася вся ця теплова енергія? У певному сенсі вона витрачена Всесвітом на розширення та забезпечила тиск, що доповнює силу Великого вибуху. При розширенні звичайної рідини її тиск, спрямований назовні, здійснює роботу, використовуючи енергію рідини. При розширенні звичайного газу його внутрішня енергія витрачається виконання роботи. На повну протилежність цьому космічне відштовхування подібно до поведінки середовища з негативнимтиском. При розширенні такого середовища її енергія не зменшується, а зростає. Саме це й відбувалося під час інфляції, коли космічне відштовхування змусило Всесвіт прискорено розширюватися. Протягом усього цього періоду повна енергія вакууму продовжувала зростати, доки до кінця періоду інфляції досягла величезної величини. Як тільки період інфляції завершився, вся накопичена енергія вивільнилася в одному гігантському сплеску, породжуючи теплоту та речовину у повному масштабі Великого вибуху. З цього моменту почалося звичайне розширення з позитивним тиском, тому енергія знову почала зменшуватися.

Виникнення первинної енергії відзначено якимось дивом. Вакуум із таємничим негативним тиском, наділений, мабуть, цілком неймовірними можливостями. З одного боку, він створює гігантську силу відштовхування, що забезпечує його все розширення, що прискорюється, а з іншого - саме розширення форсує зростання енергії вакууму. Вакуум, по суті, сам живить себе енергією у величезних кількостях. У ньому закладено внутрішню нестійкість, що забезпечує безперервне розширення та необмежене виробництво енергії. І тільки квантовий розпад хибного вакууму кладе межу цього «космічного марнотратства».

Вакуум служить у природи чарівним, бездонним глечиком енергії. У принципі немає межі величини енергії, яка б виділятися під час інфляційного розширення. Це твердження знаменує собою переворот у традиційному мисленні з його багатовіковим «з нічого не народиться ніщо» (це вислів датується принаймні епохою Парменідів, тобто V ст. до н.е.). Ідея про можливість «створення» з нічого донедавна повністю знаходилася в компетенції релігій. Зокрема, християни здавна вірять, що бог створив світ із Нічого, проте думка про можливість мимовільного виникнення всієї речовини та енергії внаслідок суто фізичних процесів ще десяток років тому вважалося вченими абсолютно неприйнятною.

Ті, хто не може внутрішньо примиритися з усією концепцією виникнення «чогось» з «нічого», можуть інакше поглянути на виникнення енергії при розширенні Всесвіту. Оскільки звичайна гравітація має характер тяжіння, видалення частин речовини друг від друга необхідно зробити роботу з подолання гравітації, що діє між цими частинами. Це означає, що гравітаційна енергія системи тіл є негативною; при додаванні до системи нових тіл відбувається вивільнення енергії, і внаслідок цього гравітаційна енергія стає ще більш негативною. Якщо застосувати це міркування до Всесвіту на стадії інфляції, то саме поява теплоти і речовини як би «компенсує» негативну гравітаційну енергію мас, що утворилися. І тут повна енергія Всесвіту загалом дорівнює нулю і жодної нової енергії взагалі виникає! Подібний погляд на процес «створення світу», звичайно, привабливий, проте його все ж таки не слід приймати занадто серйозно, оскільки в цілому статус поняття енергії стосовно гравітації виявляється сумнівним.

Все сказане тут про вакуум дуже нагадує улюблену фізиками історію про хлопчика, який, провалившись у болото, витяг себе за шнурки від своїх черевиків. Всесвіт, що самостворюється, нагадує цього хлопчика - він теж витягує сам себе за власні «шнурки» (цей процес позначається терміном «бутстреп»). Дійсно, завдяки власній фізичній природі Всесвіт збуджує в собі всю енергію, необхідну для «створення» і «пожвавлення» матерії, а також ініціює вибух, що породжує її. Це і є космічний бутстреп; його разючому могутності ми зобов'язані своїм існуванням.

Успіхи теорії інфляції

Після того, як Гут висунув основну ідею про те, що Всесвіт зазнав раннього періоду надзвичайно швидкого розширення, стало очевидно, що такий сценарій дозволяє красиво пояснити багато особливостей космології Великого вибуху, які раніше приймалися «на віру».

В одному з попередніх розділів ми зустрілися з парадоксами дуже високого рівня організації та узгодженості первинного вибуху. Один із чудових прикладів тому - сила вибуху, яка виявилася точно «підігнаною» до величини гравітації космосу, внаслідок чого швидкість розширення Всесвіту в наш час дуже близька до граничного значення, що розділяє стиск (колапс) та швидке розбігання. Вирішальна перевірка інфляційного сценарію таки полягає в тому, чи передбачає він Великий вибух настільки точно певної сили. Виявляється, що завдяки експоненційному розширенню у фазі інфляції (що становить її найхарактерніша властивість) сила вибуху автоматично суворо забезпечує можливість подолання Всесвіту власної гравітації. Інфляція може призвести саме до тієї швидкості розширення, що спостерігається насправді.

Інша «велика загадка» пов'язана з однорідністю Всесвіту у великих масштабах. Вона також негайно вирішується з урахуванням теорії інфляції. Будь-які початкові неоднорідності у структурі Всесвіту повинні абсолютно стиратися при грандіозному збільшенні її розмірів, подібно до того, як складки на спущеній повітряній кулі розгладжуються при його надуванні. А в результаті збільшення розмірів просторових областей приблизно в 10 50 разів будь-яке початкове обурення стає несуттєвим.

Однак неправильно було б говорити про повноїоднорідності. Щоб стала можливою поява сучасних галактик і галактичних скупчень, структура раннього Всесвіту мала мати деяку «комкуватість». Спочатку астрономи сподівалися, що існування галактик можна пояснити скупченням речовини під впливом гравітаційного тяжіння після Великого вибуху. Хмара газу повинна стискатися під дією власної гравітації, а потім розпадатися на дрібніші фрагменти, а ті у свою чергу - ще менші і т.д. Можливо, розподіл газу, що виник у результаті Великого вибуху, був абсолютно однорідним, але за рахунок суто випадкових процесів то там, то тут виникали згущення та розрідження. Гравітація ще більше посилювала ці флуктуації, призводячи до розростання областей згущення та поглинання ними додаткової речовини. Потім ці області стискалися і послідовно розпадалися, а згущення найменших розмірів перетворювалися на зірки. Зрештою, виникла ієрархія структур: зірки об'єднувалися в групи, ті - у галактики і далі в скупчення галактик.

На жаль, якщо в газі від початку не було неоднорідностей, то такий механізм виникнення галактик спрацював би за час, що значно перевищує вік Всесвіту. Справа в тому, що процеси згущення та фрагментації конкурували з розширенням Всесвіту, яке супроводжувалося розсіюванням газу. У початковому варіанті теорії Великого вибуху передбачалося, що «зародки» галактик існували спочатку у структурі Всесвіту за її виникненні. Більше того, ці початкові неоднорідності повинні були мати цілком певні розміри: не надто малі, інакше ніколи не утворилися б, але й не надто великі, інакше області великої щільності просто випробували б колапс, перетворившись на величезні чорні дірки. При цьому абсолютно незрозуміло, чому галактики мають саме такі розміри або чому скупчення входить саме таке число галактик.

Інфляційний сценарій дає послідовніше пояснення галактичної структури. Основна ідея досить проста. Інфляція обумовлена ​​тим, що квантовим станом Всесвіту є нестійкий стан хибного вакууму. Зрештою, цей стан вакууму розпадається, і надлишок його енергії перетворюється на теплоту та речовину. У цей момент космічне відштовхування зникає – і інфляція припиняється. Однак розпад помилкового вакууму відбувається не строго одночасно у всьому просторі. Як і будь-яких квантових процесах, швидкості розпаду помилкового вакууму флуктуюють. У деяких областях Всесвіт розпад здійснюється дещо швидше, ніж в інших. У цих сферах інфляція завершиться раніше. Внаслідок цього неоднорідності зберігаються і в кінцевому стані. Ймовірно, що це неоднорідності могли бути «зародками» (центрами) гравітаційного стиску і, зрештою, призвели до утворення галактик та його скупчень. Проводилося математичне моделювання механізму флуктуацій, проте з дуже обмеженим успіхом. Як правило, ефект виявляється занадто великим, обчислені неоднорідності – надто значними. Щоправда, використовувалися занадто грубі моделі і, можливо, більш тонкий підхід виявився успішнішим. Хоча теорія поки що далека від завершення, вона принаймні описує характер механізму, який міг би призвести до виникнення галактик без необхідності запровадження спеціальних початкових умов.

У запропонованому Гутом варіанті інфляційного сценарію помилковий вакуум спочатку перетворюється на «істинний», або у вакуумний стан з найнижчою енергією, який ми ототожнюємо з порожнім простором. Характер цієї зміни цілком аналогічний фазовому переходу (наприклад, з газу рідина). При цьому в хибному вакуумі відбувалося б випадкове утворення бульбашок істинного вакууму, які, розширюючись зі швидкістю світла, захоплювали б все більші області простору. Щоб помилковий вакуум міг проіснувати досить довго і інфляція зробила б свою «чудотворну» справу, ці два стани мають бути розділені енергетичним бар'єром, через який має відбутися «квантове тунелювання» системи, аналогічно тому, як це відбувається з електронами (див. гл. ). . Однак у цієї моделі є одна серйозна вада: вся енергія, що виділилася з помилкового вакууму, виявляється сконцентрованою в стінках бульбашок і відсутня механізм її перерозподілу по всій бульбашці. При зіткненні і злитті бульбашок енергія зрештою накопичувалася б у безладно перемішаних шарах. В результаті Всесвіт містив би дуже сильні неоднорідності, і вся робота інфляції зі створення великомасштабної однорідності зазнала б краху.

При подальшому вдосконаленні інфляційного сценарію ці проблеми вдалося оминути. У новій теорії відсутнє тунелювання між двома станами вакууму; натомість параметри вибираються так, що розпад помилкового вакууму відбувається дуже повільно і, таким чином, Всесвіт отримує достатній час для інфляції. Коли ж розпад завершується, енергія помилкового вакууму вивільняється у всьому обсязі «бульбашки», який швидко нагрівається до 10^27 К. Передбачається, що весь Всесвіт, що спостерігається, міститься в одному такому міхурі. Таким чином, в ультравеликих масштабах Всесвіт може бути вкрай нерегулярним, але доступна нашому спостереженню область (і навіть значно більші частини Всесвіту) знаходиться в межах однорідної зони.

Цікаво, що Гут спочатку розробляв свою інфляційну теорію на вирішення зовсім інший космологічної проблеми - відсутності у природі магнітних монополів. Як показано в гл.9, стандартна теорія Великого вибуху передбачає, що у первинної фазі еволюції Всесвіту монополі мають виникати надлишку. Вони, можливо, супроводжуються їх одно- та двовимірними аналогами - дивними об'єктами, що мають характер «струни» та «аркуша». Проблема полягала в тому, щоб позбавити Всесвіт цих «небажаних» об'єктів. Інфляція автоматично вирішує проблему монополів та інші аналогічні проблеми, оскільки гігантське розширення простору ефективно зменшує їхню щільність до нуля.

Хоча інфляційний сценарій розроблений лише частково і лише правдоподібний, не більше, він дозволив сформулювати ряд ідей, що обіцяють безповоротно змінити вигляд космології. Тепер ми не тільки можемо запропонувати пояснення причини Великого вибуху, але й починаємо розуміти, чому він був таким «великим» і чому набув такого характеру. Ми можемо тепер приступити до вирішення питання про те, яким чином виникла великомасштабна однорідність Всесвіту, а поряд з нею - неоднорідності меншого масштабу, що спостерігаються (наприклад, галактики). Первинний вибух, у якому виникло те, що ми називаємо Всесвітом, відтепер перестав бути загадкою, що лежить за межами фізичної науки.

Всесвіт, що створює сам себе

І все-таки, незважаючи на величезний успіх інфляційної теорії у поясненні походження Всесвіту, таємниця залишається. Як Всесвіт спочатку опинився у стані хибного вакууму? Що відбувалося до інфляції?

Послідовний, цілком задовільний науковий опис виникнення Всесвіту повинен пояснювати, як виник сам простір (точніше, простір-час), який потім зазнав інфляції. Одні вчені готові припустити, що простір існує завжди, інші вважають, що це питання взагалі виходить за межі наукового підходу. І лише деякі претендують на більше і переконані, що цілком правомірно порушувати питання про те, яким чином простір взагалі (і помилковий вакуум, зокрема) міг виникнути буквально з «нічого» в результаті фізичних процесів, які в принципі піддаються вивченню.

Як ми вже відзначали, ми лише недавно кинули виклик стійкому переконанню, «з нічого не виникає ніщо». Космічний бутстреп близький до теологічної концепції створення світу з нічого (ex nihilo).Без сумніву, в навколишньому світі існування одних об'єктів зумовлено зазвичай наявністю інших об'єктів. Так, Земля виникла з протосонячної туманності, та своєю чергою - з галактичних газів тощо. Якби нам довелося побачити об'єкт, який раптово виник «з нічого», ми, мабуть, сприйняли б це як диво; наприклад, нас вразило б, якби в замкненому порожньому сейфі ми раптом виявили масу монет, ножів чи солодощів. У повсякденному житті ми звикли усвідомлювати, що все виникає звідкись чи чогось.

Проте все не так очевидно, якщо йдеться про менш конкретні речі. З чого, наприклад, з'являється мальовниче полотно? Зрозуміло, для цього необхідні кисть, фарби і полотно, але це всього лише інструменти. Манера, в якій написана картина, - вибір форми, кольору, текстури, композиції - народжується не кистями та фарбами. Це результат творчої уяви художника.

З чого виникають думки та ідеї? Думки, безперечно, існують реально і, мабуть, завжди вимагають участі мозку. Але мозок лише забезпечує реалізацію думок, а чи не є їх причиною. Сам собою мозок породжує думки лише, наприклад, комп'ютер - обчислення. Думки можуть бути викликані іншими думками, але це не розкриває природи самої думки. Деякі думки можуть народжуватися відчуттями; думки народжує та пам'ять. Більшість художників, однак, розглядають свою роботу як результат несподіваногонатхнення. Якщо це дійсно так, то створення картини - або, принаймні, народження її ідеї - якраз є прикладом народження чогось із нічого.

І чи можемо ми вважати, що фізичні об'єкти і навіть Всесвіт загалом виникають з нічого? Ця смілива гіпотеза цілком серйозно обговорюється, наприклад, у наукових установах східного узбережжя США, де чимало фізиків-теоретиків та фахівців з космології займаються розробкою математичного апарату, який допоміг би з'ясувати можливість народження чогось із нічого. До цього кола обраних входять Алан Гут із МТІ, Сідней Коулмен із Гарвардського університету, Алекс Віленкін із Університету Тафта, Ед Тайон та Хайнц Пейджелс із Нью-Йорка. Всі вони вважають, що в тому чи іншому сенсі «ніщо нестійке» і що фізичний Всесвіт спонтанно «розпустився з нічого», керований лише законами фізики. «Подібні ідеї чисто умоглядні, – зізнається Гут, – проте на певному рівні вони, можливо, правильні... Іноді кажуть, що безкоштовного ланчу не буває, але Всесвіт, мабуть, якраз і являє собою такий «безкоштовний ланч».

У всіх цих гіпотезах ключову роль грає квантова поведінка. Як говорили в гл.2, основна особливість квантового поведінки полягає у втрати суворої причинно-наслідкового зв'язку. У класичній фізиці виклад механіки слід було суворо дотримуватися причинності. Усі деталі руху кожної частки були суворо визначені законами руху. Вважалося, що рух безперервно і суворо визначено чинними силами. Закони руху у сенсі втілювали у собі зв'язок між причиною і наслідком. Всесвіт розглядався як гігантський годинниковий механізм, поведінка якого суворо регламентована тим, що відбувається в даний момент. Саме віра у подібну всеосяжну і абсолютно строгу причинність спонукала П'єра Лапласа стверджувати, що надпотужний калькулятор здатний у принципі передбачити на основі законів механіки як історію, так і долю Всесвіту. Згідно з цією точкою зору, Всесвіт приречений вічно дотримуватися запропонованого їй шляху.

Квантова фізика зруйнувала методичну, але безплідну лапласівську схему. Фізики переконалися в тому, що на атомному рівні матерія та її рух невизначені та непередбачувані. Частинки можуть поводитися «божевільно», ніби опираючись суворо розпорядженим рухам, раптово з'являючись у найнесподіваніших місцях без видимих ​​на те причин, а іноді виникаючи і зникаючи «без попередження».

Квантовий світ не вільний повністю від причинності, проте вона проявляється досить нерішуче та неоднозначно. Наприклад, якщо один атом в результаті зіткнення з іншим атомом опиняється у збудженому стані, він, як правило, швидко повертається в стан з нижчою енергією, випромінюючи при цьому фотон. Виникнення фотона є, очевидно, наслідком те, що атом перед цим перейшов у збуджений стан. Ми можемо впевнено сказати, що саме збудження призвело до виникнення фотона, і в цьому сенсі зв'язок причини і слідства зберігається. Однак справжній момент виникнення фотона непередбачуваний: атом може випустити його будь-якої миті. Фізики можуть обчислити ймовірне, чи середнє, час появи фотона, але у кожному даному випадку неможливо передбачити момент, коли ця подія відбудеться. Мабуть, для характеристики подібної ситуації найкраще сказати, що збудження атома не так призводить до появи фотона, як «підштовхує» його до цього.

Таким чином, квантовий мікросвіт не обплутаний густим павутинням причинних взаємозв'язків, але все ж таки «прислухається» до численних ненав'язливих команд і пропозицій. У старій ньютонівській схемі сила ніби зверталася до об'єкта з наказом, що не допускає заперечення: «Рухайся!». У квантовій фізиці взаємини сили та об'єкта будуються скоріше на запрошенні, ніж на наказі.

Чому взагалі ми вважаємо такою неприйнятною думку про раптове народження об'єкта «з нічого?» Що при цьому змушує нас думати про чудеса та надприродні явища? Можливо, вся справа лише у незвичайності подібних подій: у повсякденному житті ми ніколи не стикаємося з безпричинною появою об'єктів. Коли, наприклад, фокусник дістає з капелюха кролика, ми знаємо, що нас дурять.

Припустимо, що ми справді живемо у світі, де об'єкти час від часу явно виникають «нізвідки», без жодної причини і до того ж абсолютно непередбачуваним чином. Звикнувши до таких явищ, ми б перестали дивуватися їм. Спонтанне народження сприймалося б як одне з примх природи. Можливо, у такому світі нам уже не довелося б напружувати свою довірливість, щоб уявити раптове виникнення з нічого всього фізичного Всесвіту.

Цей уявний світ по суті не настільки сильно відрізняється від реального. Якби ми могли безпосередньо сприймати поведінку атомів за допомогою наших органів чуття (а не за посередництвом спеціальних приладів), нам часто доводилося б спостерігати об'єкти, що з'являються і зникають без чітко визначених причин.

Явище, найближче «народженню з нічого», відбувається у досить сильному електричному полі. При критичному значенні напруженості поля «з нічого» зовсім випадково починають виникати електрони і позитрони. Розрахунки показують, що поблизу поверхні ядра урану напруженість електричного поля досить близька до межі, за яким виникає цей ефект. Якби існували атомні ядра, що містять 200 протонів (в ядрі урану їх 92), то відбувалося б спонтанне народження електронів та позитронів. На жаль, ядро ​​з настільки великою кількістю протонів, мабуть, стає вкрай нестійким, але повної впевненості у цьому немає.

Спонтанне народження електронів і позитронів у сильному електричному полі можна як особливий вид радіоактивності, коли розпад відчуває порожній простір, вакуум. Ми вже говорили про перехід одного вакуумного стану до іншого внаслідок розпаду. У цьому випадку вакуум розпадається, перетворюючись на стан, в якому присутні частки.

Хоча розпад простору, викликаний електричним полем, важко збагнути, аналогічний процес під дією гравітації цілком міг би відбуватися в природі. Поблизу поверхні чорних дірок гравітація настільки сильна, що вакуум кишма кишить частинками, що безперервно народжуються. Це і є знамените випромінювання чорних дірок, відкрите Стівеном Хокінгом. Зрештою, саме гравітація відповідальна за народження цього випромінювання, проте не можна сказати, що це відбувається «в старому ньютонівському сенсі»: не можна стверджувати, що якась конкретна частка повинна з'явитися в певному місці в той чи інший момент часу внаслідок дії гравітаційних сил . У будь-якому разі, оскільки гравітація - лише викривлення простору-часу, можна сказати, що простір-час викликає народження речовини.

Про спонтанне виникнення речовини з порожнього простору часто говорять як про народження «з нічого», яке близьке за духом народження ex nihiloу християнській доктрині. Однак для фізика порожній простір зовсім не «ніщо», а істотна частина фізичного Всесвіту. Якщо ми таки хочемо відповісти на запитання, як виник Всесвіт, то недостатньо припускати, що з самого початку існував порожній простір. Необхідно пояснити, звідки взявся цей простір. Думка про народження самого просторуможе здатися дивною, однак у якомусь сенсі це постійно відбувається навколо нас. Розширення Всесвіту не що інше, як безперервне «розбухання» простору. З кожним днем ​​доступна нашим телескопам область Всесвіту зростає на 10^18 кубічних світлових років. Звідки ж береться цей простір? Тут корисна аналогія з гумою. Якщо пружний гумовий джгут витягнути, його стає більше. Простір нагадує супереластик тим, що він, наскільки нам відомо, може необмежено довго розтягуватися, не розриваючись.

Розтягнення та викривлення простору нагадують деформацію пружного тіла тим, що «рух» простору відбувається за законами механіки так само, як і рух звичайної речовини. У разі це закони гравітації. Квантова теорія однаково застосовна як до речовини, і до простору і часу. У попередніх розділах ми говорили, що квантова гравітація сприймається як необхідний етап пошуку Суперсили. У цьому виникає цікава можливість; якщо, згідно з квантовою теорією, частинки речовини можуть виникати «з нічого», то стосовно гравітації чи не описуватиме вона виникнення «з нічого» та простору? Якщо це станеться, то чи не є народження Всесвіту 18 млрд років тому, прикладом саме такого процесу?

Безкоштовний ланч?

Основна ідея квантової космології полягає у застосуванні квантової теорії до Всесвіту в цілому: до простору-часу та речовини; особливо серйозно цю ідею розглядають теоретики. На перший погляд тут є протиріччя: квантова фізика має справу з найменшими системами, тоді як космологія - з найбільшими. Проте Всесвіт колись також був обмежений дуже малими розмірами і, отже, тоді були надзвичайно важливі квантові ефекти. Результати обчислень свідчать, що квантові закони слід враховувати в епоху ТВО (10^-32 з), а епоху Планка (10^-43 з) вони, мабуть, мають грати визначальну роль. Як вважають деякі теоретики (наприклад, Віленкін), між цими двома епохами існував момент часу, коли виник Всесвіт. За словами Сіднея Коулмена, ми зробили квантовий стрибок з Нічого під час. Очевидно, простір-час є реліктом цієї епохи. Квантовий стрибок, про який говорить Коулмен, можна розглядати як свого роду «тунельний процес». Ми зазначали, що у початковому варіанті теорії інфляції стан хибного вакууму мало тунелювати через енергетичний бар'єр у стан істинного вакууму. Однак, у разі спонтанного виникнення квантового Всесвіту «з нічого», наша інтуїція досягає межі своїх можливостей. Один кінець тунелю є фізичним Всесвітом у просторі та часі, який потрапляє туди шляхом квантового тунелювання «з нічого». Отже, інший кінець тунелю є це саме Ніщо! Можливо, краще було б сказати, що тунель має лише один кінець, а другого просто «не існує».

Головна труднощі цих спроб пояснити походження Всесвіту полягає в описі процесу її народження зі хибного вакууму. Якби нове простір-час виявилося в стані істинного вакууму, то інфляція ніколи не змогла б відбутися. Великий вибух звівся б до слабкого сплеску, а простір-час через мить знову припинило б своє існування - його винищили б ті квантові процеси, завдяки яким воно спочатку виникло. Не опинись Всесвіт у стані хибного вакууму, він ніколи не виявився б залученим до космічного бутстрепу і не матеріалізував би своє ілюзорне існування. Можливо, стан помилкового вакууму виявляється кращим завдяки характерним йому екстремальним умовам. Наприклад, якщо Всесвіт виникав при досить високій початковій температурі, а потім остигав, то він міг би навіть «сісти на мілину» у хибному вакуумі, але поки багато технічних питань такого типу залишаються невирішеними.

Але як би не було насправді справу з цими фундаментальними проблемами, Всесвіт повинен тим чи іншим чином виникнути, і квантова фізика є єдиною галуззю науки, в якій має сенс говорити про подію, що відбувається без видимої причини. Якщо йдеться про простір-час, то в будь-якому випадку безглуздо говорити про причинність у звичайному розумінні. Зазвичай поняття причинності тісно пов'язані з поняттям часу, і тому будь-які міркування процесах виникнення часу чи його «виходу з небуття» повинні спиратися більш широке уявлення причинності.

Якщо простір дійсно десятимірний, то теорія вважає всі десять вимірів цілком рівноправними на ранніх стадіях. Приваблює можливість пов'язати явище інфляції зі спонтанною компактифікацією (згортанням) семи із десяти вимірів. Згідно з таким сценарієм, «рушійна сила» інфляції є побічним продуктом взаємодій, що виявляються через додаткові вимірювання простору. Далі десятимірне простір міг би природно еволюціонувати в такий спосіб, що з інфляції три просторових виміри сильно розростаються з допомогою сім інших, які, навпаки, стискаються, стаючи невидимими? Таким чином, квантовий мікроміхур десятимірного простору стискається, а три виміри завдяки цьому роздмухуються, утворюючи Всесвіт: решта сім вимірів залишаються в полоні мікрокосмосу, звідки проявляються лише побічно - у формі взаємодій. Ця теорія видається дуже привабливою.

Незважаючи на те, що теоретики мають ще багато роботи з вивчення природи дуже раннього Всесвіту, вже зараз можна дати загальний нарис подій, в результаті яких Всесвіт знайшов спостерігається сьогодні образ. На самому початку Всесвіт спонтанно виник «з нічого». Завдяки здатності квантової енергії служити свого роду ферментом, бульбашки порожнього простору могли роздмухуватися з дедалі більшою швидкістю, створюючи завдяки бутстрепу колосальні запаси енергії. Цей помилковий вакуум, наповнений самонародженою енергією, виявився нестійким і став розпадатися, виділяючи енергію у вигляді теплоти, так що кожна бульбашка заповнилася вогнедишною матерією (файєрбол). Роздування (інфляція) бульбашок припинилося, але почався Великий вибух. На «годиннику» Всесвіту в цей момент було 10-32 с.

З такого фаєрболу і виникла вся матерія та всі фізичні об'єкти. У міру остигання космічний матеріал відчував послідовні фазові переходи. При кожному з переходів із первинного безформного матеріалу «виморожувалася» дедалі більше різних структур. Одне одним відділялися друг від друга взаємодії. Крок за кроком об'єкти, які ми називаємо тепер субатомними частинками, набували властивих їм нині рис. У міру того як склад «космічного супу» все більше ускладнювався, великомасштабні нерегулярності, що залишилися з часів інфляції, розросталися в галактики. У процесі подальшого утворення структур та відокремлення різних видів речовини Всесвіт все більше набував знайомих форм; гаряча плазма конденсувалася в атоми, формуючи зірки, планети і, зрештою, життя. Так Всесвіт «усвідомив» саму себе.

Речовина, енергія, простір, час, взаємодії, поля, впорядкованість та структура - Усеці поняття, запозичені з «прейскуранту творця», є невід'ємними характеристиками Всесвіту. Нова фізика відкриває привабливу можливість наукового пояснення походження всіх цих речей. Нам уже не потрібно від початку спеціально вводити їх «вручну». Ми можемо побачити, як усі фундаментальні властивості фізичного світу можуть з'явитися. автоматичнояк наслідки законів фізики, без необхідності припускати існування вкрай специфічних початкових умов. Нова космологія стверджує, що початковий стан космосу не відіграє жодної ролі, оскільки вся інформація про нього стерлася під час інфляції. Спостережуваний нами Всесвіт несе у собі лише відбитки тих фізичних процесів, які відбувалися з початку інфляції.

Тисячоліттями людство вірило в те, що "з нічого не народиться ніщо". Сьогодні ми можемо стверджувати, що з нічого сталося все. За Всесвіт не треба «платити» – це абсолютно «безкоштовний ленч».

Кажуть, що час – найзагадковіша матерія. Людина, скільки не намагається зрозуміти її закони і навчитися керувати ними, щоразу потрапляє в халепу. Роблячи останній крок до розгадки великої таємниці, і вважаючи, що вона практично вже в нас у кишені, ми щоразу переконуємося, що вона так само невловима. Однак людина - істота допитлива і пошук відповідей на споконвічні питання для багатьох стає сенсом життя.

Однією з таких таємниць стало створення світу. Послідовники «теорії Великого вибуху», що логічно пояснює походження життя на Землі, стали ставити питання про те, що було до Великого вибуху, і чи було щось взагалі. Тема для досліджень є благодатною, а результати можуть зацікавити широку громадськість.

У всього на світі є минуле – Сонце, Землю, Всесвіт, але звідки взялося все це різноманіття і що було до нього?

Дати однозначну відповідь навряд чи можливо, але висунути гіпотези та пошукати їм докази цілком реально. У пошуках істини дослідники отримали не одну, а кілька відповідей на запитання «що було до Великого вибуху?». Найпопулярніший з них звучить дещо бентежно і досить сміливо - Нічого. Чи можливо, що все, що існує, сталося з нічого? Що Ніщо породило все існуюче?

Власне, це не можна назвати абсолютною порожнечею і там все одно відбуваються якісь процеси? Все було породжене нічим? Ніщо – повна відсутність як матерії, молекул і атомів, і навіть часу і простору. Багатий ґрунт для діяльності письменників-фантастів!

Думки вчених про епоху до Великого вибуху

Однак Ніщо не можна доторкнутися, до нього не застосовні звичайні закони, а отже, або домислювати і вибудовувати теорії, або спробувати створити умови, близькі до тих, в результаті яких стався Великий вибух, і переконатися у правильності своїх припущень. У спеціальних камерах, з яких було видалено частинки речовини, знизили температуру, наблизивши до умов космосу. Результати спостережень дали непрямі підтвердження науковим теоріям: вчені вивчали середовище, в якому теоретично міг виникнути Великий вибух, але назвати це середовище «Ніщо» виявилося не зовсім коректно. Міні-вибухи, що відбуваються, могли б призвести до більш масштабного вибуху, що породив Всесвіт.

Теорії всесвітів до Великого вибуху

Прихильники іншої теорії стверджують, що до Великого вибуху існували два інші Всесвіти, що розвивалися за власними законами. Якими саме вони були – відповісти складно, але згідно з теорією, що висувається, Великий вибух стався в результаті їх зіткнення і привів до повного знищення колишніх Всесвітів і, одночасно, до народження нашого, існуючого і нині.

Теорія «стиснення» говорить про те, що Всесвіт існує, і існував завжди, змінюються лише умови його розвитку, які призводять до зникнення життя в одному регіоні та виникнення в іншому. Життя зникає внаслідок «сплескування» і виникає після вибуху. Як би це парадоксально не звучало. Така гіпотеза має велику кількість прихильників.

Є ще одне припущення: в результаті Великого вибуху з небуття виник новий Всесвіт і роздувся, немов мильна бульбашка, до гігантських розмірів. У цей час від неї відгалужувалися «бульбашки», які згодом, стали іншими Галактиками та Всесвітами.

Теорія «природного відбору» передбачає, що йдеться про «природний космічний відбір», на кшталт того, про який говорив Дарвін, лише у більших розмірах. У нашого Всесвіту був свій предок, у нього, у свою чергу, також був свій предок. Відповідно до цієї теорії, наш Всесвіт породила Чорна діра. і становлять великий інтерес для вчених. За цією теорією для того, щоб з'явився новий Всесвіт, необхідні механізми «розмноження». Таким механізмом і стає Чорна діра.

А можливо, мають рацію ті, хто вважає, що в міру зростання і розвитку наш Всесвіт розширюється, йдучи назустріч Великому вибуху, який стане початком для нового Всесвіту. Отже, колись давно, невідомий і, на жаль, зниклий Всесвіт став прародителькою нашого нового всесвіту. Циклічність цієї системи виглядає логічно і прихильників цієї теорії чимало.

Наскільки наблизилися до істини послідовники тієї чи іншої гіпотези – сказати складно. Кожен вибирає те, що ближче за духом та розумінням. Релігійний світ дає на всі запитання свої відповіді та вкладає картину створення світу у божественні рамки. Атеїсти шукають відповіді, прагнучи докопатися до суті і помацати своїми руками цю саму суть. Можна здивуватися, чим викликана така завзятість у пошуках відповіді на питання про те, що було до Великого вибуху, адже практичну користь з цього знання отримати досить проблематично: людина не стане володарем Всесвіту, за його словом і бажанням не засвітяться нові зірки і не згаснуть існуючі . Але так цікаво те, що не вивчено! Людство б'ється над розгадками таємниць, і хто знає, можливо, рано чи пізно, вони дадуться людині в руки. Ось тільки, як він скористається цими таємними знаннями?

Ілюстрації: КЛАУС БАХМАНН, журнал "GEO"

(25 votes, average: 4,84 out of 5)

Теорія Великого вибуху зараз вважається такою ж безперечною, як і система Коперника. Однак аж до другої половини 1960-х вона аж ніяк не користувалася загальним визнанням, і не тільки тому, що багато вчених з порога заперечували саму ідею розширення Всесвіту. Просто ця модель мала серйозного конкурента.

Через 11 років космологія як наука зможе відзначати свій сторічний ювілей. У 1917 році Альберт Ейнштейн усвідомив, що рівняння загальної теорії відносності дозволяють обчислювати фізично розумні моделі світобудови. Класична механіка і теорія гравітації такої можливості не дають: Ньютон намагався побудувати загальну картину Всесвіту, проте при всіх розкладах вона неминуче плескалася під дією сили тяжіння.

Ейнштейн рішуче не вірив у початок і кінець світобудови і тому вигадав вічно існуючий статичну Всесвіт. Для цього йому знадобилося ввести у свої рівняння особливу компоненту, яка створювала антитяготіння і тим самим формально забезпечувала стабільність світоустрою. Це доповнення (так званий космологічний член) Ейнштейн вважав неелегантним, потворним, але все ж таки необхідним (автор ОТО даремно не повірив своєму естетичному чуття - пізніше було доведено, що статична модель нестійка і тому фізично безглузда).

У моделі Ейнштейна швидко з'явилися конкуренти - модель світу без матерії Віллема де Сіттера (1917), замкнуті та відкриті нестаціонарні моделі Олександра Фрідмана (1922 та 1924). Але ці гарні конструкції до певного часу залишалися суто математичними вправами. Щоб міркувати про Всесвіт загалом не умоглядно, треба хоча б знати, що існують світи, розташовані за межами зоряного скупчення, в якому знаходиться Сонячна система і ми разом з нею. А космологія отримала можливість шукати опору в астрономічних спостереженнях лише після того, як в 1926 Едвін Хаббл опублікував роботу "Позагалактичні туманності", де вперше було дано опис галактик як самостійних зіркових систем, що не входять до складу Чумацького шляху.

Створення Всесвіту зайняло не шість днів – основна частка роботи було завершено набагато раніше. Ось його зразкова хронологія.

0. Великий вибух.

Планківська ера: 10-43 с. Планківський момент. Відбувається відділення гравітаційної взаємодії. Розмір Всесвіту в цей момент дорівнює 10-35 м (т.зв. Планківська довжина). 10-37 с. Інфляційне розширення Всесвіту.

Епоха великого об'єднання: 10-35 с. Поділ сильної та електрослабкої взаємодій. 10-12 с. Відділення слабкої взаємодії та остаточне поділ взаємодій.

Адронна ера: 10-6 с. Анігіляція протон-антипротонних пар. Кварки та антикварки перестають існувати, як вільні частки.

Лептонна ера: 1 с. Формуються ядра водню. Починається ядерний синтез гелію.

Епоха нуклеосинтезу: 3 хвилини. Всесвіт складається на 75% водню і на 25% гелію, а також слідових кількостей важких елементів.

Радіаційна епоха: 1 тиждень. На той час випромінювання термалізується.

Епоха речовини: 10 тис. років. Речовина починає домінувати у Всесвіті. 380 тис. Років. Ядра водню та електрони рекомбінують, Всесвіт стає прозорим для випромінювання.

Зоряна епоха: 1 млрд. років. Формування перших галактик. 1 млрд. Років. Освіта перших зірок. 9 млрд. Років. Освіта Сонячної системи. 13,5 млрд. Років. Поточний момент

Розбігання галактик

Цей шанс було швидко реалізовано. До бельгійця Жоржа Анрі Леметра, який вивчав астрофізику в Массачусетському технологічному інституті, дійшли чутки, що Хаббл впритул підійшов до революційного відкриття - доказу розбігу галактик. У 1927 році, повернувшись на батьківщину, Леметр опублікував (а в наступні роки уточнив і розвинув) модель Всесвіту, що утворився в результаті вибуху надщільної матерії, що розширюється відповідно до рівнянь ОТО. Він математично довів, що їхня радіальна швидкість має бути пропорційна відстані від Сонячної системи. Роком пізніше цього ж висновку незалежно дійшов принстонський математик Хауард Робертсон.

А в 1929 році Хаббл отримав ту ж саму залежність експериментально, обробивши дані по віддаленості двадцяти чотирьох галактик і величині червоного зміщення світла, що приходить від них. П'ятьма роками пізніше Хаббл і його помічник Мілтон Хьюмасон навели нові докази справедливості цього висновку, здійснивши моніторинг дуже тьмяних галактик, що лежать на крайній периферії космосу, що спостерігається. Пророцтва Леметра і Робертсона повністю виправдалися, і космологія нестаціонарного Всесвіту, начебто, здобула рішучу перемогу.

Невизнана модель

Але все ж таки астрономи не поспішали кричати ура. Модель Леметра дозволяла оцінити тривалість існування Всесвіту - цього потрібно було лише з'ясувати чисельну величину константи, що входить у рівняння Хаббла. Спроби визначити цю константу призводили до висновку, що наш світ виник лише близько двох мільярдів років тому. Однак геологи стверджували, що Земля набагато старша, та й астрономи не сумнівалися, що в космосі повно-повно зірок більш поважного віку. Астрофізики теж мали власні підстави для недовіри: відсотковий склад розподілу хімічних елементів у Всесвіті на основі леметрівської моделі (вперше цю роботу в 1942 році зробив Чандрасекар) явно суперечив реальності.

Скепсис фахівців пояснювався і філософськими причинами. Астрономічне співтовариство тільки-но звикло з думкою, що перед ним розкрився нескінченний світ, населений безліччю галактик. Здавалося природним, що у своїх основах він не змінюється та існує вічно. А тепер вченим пропонувалося визнати, що Космос закінчений не лише у просторі, а й у часі (до того ж ця ідея наводила на думку про божественне творіння). Тому леметрівська теорія довго залишалася без справ. Втім, ще гірша доля спіткала модель вічно осцилюючого Всесвіту, запропоновану в 1934 Річардом Толманом. Вона взагалі не отримала серйозного визнання, а наприкінці 1960-х була відкинута як математично некоректна.

Акції "світу, що роздмухується" не надто підвищилися і після того, як на початку 1948 року Джордж Гамов і його аспірант Ральф Алфер побудували нову, більш реалістичну версію цієї моделі. Всесвіт Леметра народився з вибуху гіпотетичного "первинного атома", який явно виходив за рамки уявлень фізиків про природу мікросвіту.

Гамовську теорію довгий час називали цілком академічно - "динамічна еволюціонуюча модель". А словосполучення "Великий вибух", як не дивно, ввів в обіг не автор цієї теорії і навіть не її прихильник. У 1949 році продюсер наукових програм ВВС Пітер Ласлетт запропонував Фреду Хойлу підготувати серію з п'яти лекцій. Хойл виблискував перед мікрофоном і миттєво придбав безліч шанувальників серед радіослухачів. В останньому виступі він заговорив про космологію, розповів про свою модель і під кінець вирішив звести рахунки з конкурентами. Їхня теорія, сказав Хойл, "заснована на припущенні, що Всесвіт виник у процесі одного-єдиного потужного вибуху і тому існує лише кінцевий час... Ця ідея Великого вибуху здається мені зовсім незадовільною". Ось так уперше і з'явився цей вислів. На російську його можна перекласти і як "Велика бавовна", що, ймовірно, точніше відповідає принизливому змісту, який вклав у нього Хойл. Через рік його лекції були опубліковані, і новий термін пішов гуляти світом

Джордж Гамов та Ральф Алфер припустили, що Всесвіт незабаром після народження складався з добре відомих частинок – електронів, фотонів, протонів та нейтронів. У їхній моделі ця суміш була нагріта до високих температур і щільно упакована в крихітному (порівняно з нинішнім) об'ємі. Гамов з Алфер показали, що в цьому супергарячому супі відбувається термоядерний синтез, в результаті якого утворюється основний ізотоп гелію, гелій-4. Вони навіть вирахували, що вже за кілька хвилин матерія перетворюється на рівноважний стан, у якому кожне ядро ​​гелію припадає приблизно десяток ядер водню.

Така пропорція цілком відповідала астрономічним даним про розподіл легких елементів у Всесвіті. Ці висновки незабаром підтвердили Енріко Фермі та Ентоні Туркевич. Вони до того ж встановили, що процеси термоядерного синтезу мають породжувати трохи легкого ізотопу гелію-3 і важкі ізотопи водню - дейтерій і тритій. Зроблені ними оцінки концентрації цих трьох ізотопів у космічному просторі також збігалися зі спостереженнями астрономів.

Проблемна теорія

Але астрономи-практики продовжували сумніватися. По-перше, залишалася проблема віку Всесвіту, яку теорія Гамова вирішити не могла. Збільшити тривалість існування світу можна було, лише довівши, що галактики розлітаються набагато повільніше, ніж прийнято вважати (зрештою так і сталося, причому чималою мірою за допомогою спостережень, виконаних у Паломарській обсерваторії, але вже у 1960-ті роки).

По-друге, гамівська теорія забуксувала на нуклеосинтезі. Пояснивши виникнення гелію, дейтерію та тритію, вона не змогла просунутися до більш важких ядрам. Ядро гелію-4 складається з двох протонів та двох нейтронів. Все було б добре, якби воно могло приєднати протон і перетворитися на ядро ​​літію. Однак ядра з трьох протонів та двох нейтронів або двох протонів та трьох нейтронів (літій-5 та гелій-5) вкрай нестійкі та миттєво розпадаються. Тому в природі існує лише стабільний літій-6 (три протони та три нейтрони). Для його утворення шляхом прямого синтезу необхідно, щоби з ядром гелію одночасно злилися і протон, і нейтрон, а ймовірність цієї події вкрай мала. Правда, в умовах високої щільності матерії в перші хвилини існування Всесвіту подібні реакції все ж таки зрідка відбуваються, що і пояснює дуже малу концентрацію найдавніших атомів літію.

Природа приготувала Гамову ще один неприємний сюрприз. Шлях до важких елементів міг би лежати і через злиття двох ядер гелію, але це комбінація теж нежиттєздатна. Пояснити походження елементів важче літію ніяк не вдавалося, і наприкінці 1940-х років ця перешкода здавалася непереборною (зараз ми знаємо, що вони народжуються тільки в стабільних зірках, що вибухають, і в космічних променях, але Гамову це не було відомо).

Втім, у моделі "гарячого" народження Всесвіту залишалася в запасі ще одна карта, яка згодом стала козирною. У 1948 році Алфер та інший асистент Гамова, Роберт Герман, дійшли висновку, що космос пронизаний мікрохвильовим випромінюванням, що виник через 300 тисяч років після первинного катаклізму. Однак радіоастрономи не виявили інтересу до цього прогнозу і він так і залишився на папері.

Поява конкурента

Гамов та Алфер винайшли свою "гарячу" модель у столиці США, де з 1934 року Гамов викладав в університеті імені Джорджа Вашингтона. Багато продуктивних ідей виникли у них під помірну випивку в барі "Маленький Відень" на Пенсільванія-авеню неподалік Білого дому. А якщо цей шлях до побудови космологічної теорії декому здається екзотичним, що можна сказати про альтернативу, що з'явилася на світ під впливом фільму жахів?

Фред Хойл: Розширення Всесвіту відбувається вічно! Речовина народжується в порожнечі мимоволі з такою швидкістю, що середня щільність Всесвіту залишається постійною

У добрій старій Англії, в університетському Кембриджі, після війни влаштувалися троє чудових учених - Фред Хойл, Герман Бонді та Томас Голд. Перед цим вони працювали у радіолокаційній лабораторії британських ВМФ, де й потоваришували. Хойлу, англійцю з Йоркшира, до моменту капітуляції Німеччини ще не виповнилося і 30, а його приятелям, уродженцям Відня, стукнуло по 25. Хойл та його друзі у свою "радарну еру" відводили душу в розмовах про проблеми світобудови та космології. Всі троє не злюбили модель Леметра, але закон Хаббла прийняли всерйоз, а відкинули і концепцію статичного Всесвіту. Після війни вони збиралися у Бонді та обговорювали ті самі проблеми. Осяяння зійшло після перегляду кінострашилки "Мертві вночі". Її головний герой Волтер Крейг потрапив у замкнуту подійну петлю, яка наприкінці картини повернула його в ту саму ситуацію, з якою все й почалося. Фільм з такою фабулою може тривати нескінченно (як віршик про попу та його собаку). Тут-то Голд і зрозумів, що Всесвіт може виявитися аналогом цього сюжету - одночасно змінюється і незмінною!

Друзі визнали ідею божевільною, але потім вирішили, що в ній щось є. Об'єднаними зусиллями вони перетворили гіпотезу на зв'язкову теорію. Бонді з Голдом дали її загальний виклад, а Хойл в окремій публікації "Нова модель Всесвіту, що розширюється" - математичні розрахунки. За основу він взяв рівняння ОТО, але доповнив їх гіпотетичним "полем творіння" (Creation field, С-поле), що має негативний тиск. Щось у цьому роді через 30 років з'явилося в інфляційних космологічних теоріях, що Хойл підкреслював із чималим задоволенням.

Космологія стабільного стану

Нова модель увійшла до історії науки як Космологія стабільного стану (Steady State Cosmology). Вона проголосила повну рівноправність не тільки всіх точок простору (це було у Ейнштейна), але й усіх моментів часу: Всесвіт розширюється, але початку не має, оскільки завжди залишається подібним до себе самого. Голд назвав це твердження досконалим космологічним принципом. Геометрія простору в цій моделі залишається плоскою, як у Ньютона. Галактики розбігаються, проте в космосі "з нічого" (точніше, з поля витвору) з'являється нова речовина, причому з такою інтенсивністю, що середня щільність матерії залишається незмінною. Відповідно до відомого тоді значення постійної Хаббла Хойл обчислив, що в кожному кубометрі простору протягом 300 тисяч років народжується всього одна частка. Відразу знімалося питання, чому прилади не реєструють ці процеси, - вони надто повільні за людськими мірками. Нова космологія не зазнавала жодних труднощів, пов'язаних із віком Всесвіту, цієї проблеми для неї просто не існувало.

Для підтвердження своєї моделі Хойл запропонував скористатися даними про просторовий розподіл молодих галактик. Якщо С-поле рівномірно творить матерію всюди, то середня щільність таких галактик має бути приблизно однаковою. Навпаки, модель катаклізмічного народження Всесвіту передбачає, що на дальньому кордоні космосу, що спостерігається, ця щільність максимальна - звідти до нас приходить світло ще не встиглих зістаритися зоряних скупчень. Хойловський критерій був цілком розумним, проте на той час перевірити його було неможливо через відсутність досить потужних телескопів.

Тріумф та поразка

Більше 15 років конкуруючі теорії билися майже на рівних. Щоправда, 1955 року англійський радіоастроном і майбутній нобелівський лауреат Мартін Райл виявив, що щільність слабких радіоджерел на космічній периферії більша, ніж біля нашої галактики. Він заявив, що ці результати несумісні із Космологією стабільного стану. Однак через кілька років його колеги дійшли висновку, що Райл перебільшив відмінності густин, так що питання залишилося відкритим.

Але на двадцятому році життя хойлівська космологія почала швидко в'янути. На той час астрономи довели, що постійна Хаббла значно менше колишніх оцінок, що дозволило підняти гаданий вік Всесвіту до 10-20 млрд. років (сучасна оцінка - 13,7 млрд. років ± 200 млн.). А в 1965 році Арно Пензіас і Роберт Вільсон зареєстрували передбачене Алфером і Германом випромінювання і тим самим відразу залучили до теорії Великого вибуху безліч прихильників.

Ось уже сорок років ця теорія вважається стандартною та загальновизнаною космологічною моделлю. У неї є і конкуренти різного віку, але ось теорію Хойла всерйоз ніхто більше не приймає. Їй не допомогло навіть відкриття (1999 року) прискорення розльоту галактик, про можливість якого писали і Хойл, і Бонді з Голдом. Її час безповоротно минув.