Горшков В.К., Мансуров Г.Н., 2012
С позиций инфляционной космологии рассмотрена современная теория космической эволюции для ранней Вселенной от первых мгновений до начала Большого взрыва. Показано , что инфляция характеризует стадию стремительного экспоненциального расширения Вселенной , заканчивающуюся Большим взрывом.
Дана краткая характеристика теории струн как существенного этапа в решении вопроса о создании единой теории четырех видов взаимодействия ( гравитационного , сильного , слабого и электромагнитного ).
Ставится вопрос о фундаментальности понятий про - странства и времени и о природе стрелы времени .
Большой взрыв
До недавнего времени стандартная космологическая модель рассматривалась как основная теория происхождения Вселенной .
Современная теория сотворения мира воз - никла примерно через пятнадцать лет после создания Эйнштейном общей теории отно - сительности .
Хотя сам Эйнштейн отказался посмотреть правде в глаза и признать , что из его теории следует невозможность существования вечной и статической Вселенной , за него это сделал Александр Фридман .
Он нашел так называемое решение Большого взрыва для уравнений , т . е . решение , в котором Вселенная развивается из начального состояния бесконечного сжатия и в настоящий момент находится в стадии расширения после этого исходного взрыва .
Эйнштейн был так уверен в невозможности подобных меняющихся во времени решений его уравнений , что даже опубликовал короткую ста - тью о якобы найденной им грубой ошибке в работе Фридмана .
Однако примерно через восемь месяцев Фридману все же удалось убедить Эйнштейна в том , что в действитель - ности никакой ошибки не было ;
Эйнштейн публично , но кратко , снял свои возражения .
Очевидно , однако , что Эйнштейн не считал результаты Фридмана имеющими какое - либо ХИМИЯ Электронный журнал «Вестник Московского госуд арственного областного университета» www.evestnik-mgou.ru / E-mail: e-mag@mgou.ru 140 2012/1/Химия отношение к нашей Вселенной .
Однако пять лет спустя кропотливые наблюдения Хаббла за несколькими десятками галактик , проводившиеся с помощью стодюймового телеско - па в обсерватории Маунт Вильсон , показали , что Вселенная действительно расширяется .
Работа Фридмана до сих пор является основой современной космологии .
Подробнее современная теория космической эволюции выглядит так .
Около 14 миллиардов лет назад Вселенная изверглась в результате мощного сингулярного взрыва , разметавшего в стороны все пространство и материю .
Вычисления температуры , которая была у Вселенной лишь спустя 10 - 43 с после Большого взрыва ( так называемое планковское время ), приводят к значению порядка 10 32 К , что примерно в 10 25 раз выше температуры в недрах Солнца .
С течением времени Вселенная расширялась и охлаждалась , и в ходе это - го процесса в первоначально однородной и горячей первичной космической плазме стали возникать вихри и скопления .
Через 10 - 5 с после Большого взрыва Вселенная достаточно охладилась ( примерно до 10 13 К , что в миллион раз больше температуры внутри Солнца ) для того , чтобы из групп трех кварков стало возможно образование протонов и нейтро - нов .
Примерно через сотую долю секунды условия стали такими , что в охлаждающейся плазме элементарных частиц уже могли формироваться ядра некоторых легких элемен - тов периодической таблицы .
В течение следующих трех минут , пока кипящая Вселенная охлаждалась примерно до 10 9 К , основная доля образовавшихся ядер приходилась на ядра водорода и гелия и включала небольшую добавку дейтерия (« тяжелого » водорода ) и ли - тия .
Этот интервал времени получил название периода первичного нуклеосинтеза .
Затем в течение нескольких сотен тысяч лет было мало событий , кроме дальнейшего расширения и охлаждения .
Но в конце этого этапа , когда температура упала до нескольких тысяч градусов , летавшие до этого с бешеной скоростью электроны замедлились до скоро - сти , позволяющей атомным ядрам ( в основном , ядрам водорода и гелия ) захватывать их , об - разуя электрически нейтральные атомы .
Это явилось поворотным моментом : начиная с него Вселенная , в общем и целом , становится прозрачной .
До эры захвата электронов она была заполнена плотной плазмой электрически заряженных частиц , одни из которых ( например , ядра ) несли положительный заряд , а другие ( например , электроны ) — отрицательный .
Фо - тоны , взаимодействующие лишь с заряженными частицами , испытывали постоянные пинки и толчки со стороны кишащих заряженных частиц и не могли пролететь достаточно далеко , не будучи отклоненными или поглощенными этими частицами .
Из - за таких препятствий свободному движению фотонов Вселенная предстала бы перед наблюдателем совершенно непрозрачной , подобной густому утреннему туману или снежной буре .
Но когда отрица - тельно заряженные электроны были рассажены по орбитам вокруг положительно заряжен - ных ядер и образовались электрически нейтральные атомы , препятствия исчезли и густой туман рассеялся .
С этого момента фотоны от Большого взрыва стали свободно путешество - вать по Вселенной , и постепенно она стала полностью доступной взору .
Примерно миллиард лет спустя , когда Вселенная достаточно успокоилась после неистового начала , из сжатых гравитацией комков первичных элементов стали форми - роваться галактики , звезды , а затем и планеты .
Однако теория Большого взрыва не со - держит самого взрыва , определяющего физику формирования Вселенной .
Его возникно - вение объясняет теория инфляции [4].
После объединения электронов и ядер в атомы фотоны могут беспрепятственно путешествовать во Вселенной .
Это означает , что Вселенная заполнена « газом » фотонов , движущихся во всевозможных направлениях и равномерно распределенных в космиче - ском пространстве .
Когда Вселенная расширяется , газ свободно летящих фотоноврас - ширяется вместе с ней , так как Вселенная , по существу , является резервуаром для этого газа .
Подобно тому , как температуры более привычных для нас газов понижаются при расширении , температура этого фотонного газа тоже падает при расширении Вселенной .
Электронный журнал «Вестник Московского госуд арственного областного университета» www.evestnik-mgou.ru / E-mail: e-mag@mgou.ru 141 2012/1/Химия Уже давно , после работ Георгия Гамова в 1950-х гг . [2], физики поняли , что современная Вселенная должна быть наполнена почти однородным составом из первичных фотонов , охладившихся до нескольких градусов выше абсолютного нуля за 14 миллиардов лет космического расширения .
В 1965 г . Арно Пензиас и Роберт Вильсон из Лаборатории им . Белла в штате Нью - Джерси случайно сделали одно из важнейших открытий нашей эпохи .
Работая с антенной , предназначенной для спутниковой связи , они зарегистриро - вали послесвечение Большого взрыва !
Позднее и теория , и эксперимент были усовер - шенствованы , и эти исследования завершились измерениями , полученными с помощью спутника СОВЕ (Cosmic Background Explorer, « зонда космического фона ») агентства NASA в 1990-е гг .
На основе полученных данных физики и астрономы точно установи - ли , что Вселенная действительно заполнена микроволновым излучением с температурой примерно на 2, 7 К выше абсолютного нуля , что в точности совпадает с предсказаниями теории Большого взрыва .
Более точно , в каждом кубическом метре Вселенной находится около 400 миллионов фотонов , образующих огромное космическое море микроволново - го излучения — эхо сотворения .
Все данные , которыми мы располагаем , подтверждают космологическую теорию , описывающую эволюцию Вселенной от сотых долей секунды после Большого взрыва до настоящего времени .
Однако не следует забывать о том , что новорожденная Вселенная развивалась с феноменальной скоростью .
Мельчайшие доли секунды , гораздо меньшие сотых долей , суть космические эпохи , в течение которых формировались кажущиеся нам неизменными свойства окружающего мира . Квантовая теория поля точечных частиц справедлива лишь тогда , когда средние энергии частиц не превышают планковскую энер - гию .
С точки зрения космологии , этот предел соответствует моменту , когда вся окружа - ющая нас Вселенная была сжата до размера мельчайшего зерна планковских размеров , а плотность была так высока , что сложно подыскать подходящую метафору , которая про - иллюстрировала бы эту ситуацию : плотность Вселенной в эти моменты времени была просто колоссальной .
При таких энергиях и плотностях гравитация и квантовая теория уже не могут рассматриваться как две различные сущности , каковыми они являлись в квантовой теории поля точечных частиц .
Именно теория струн дает основание для устранения противоречия между общей теорией относительности и квантовой механи - кой и создания квантовой гравитации .
На временн о й шкале такие энергии и плотности соответствуют точкам , удаленным от Большого взрыва менее чем на планковское время 10 - 43 с , следовательно , эта сверхранняя эпоха является космологической ареной теории струн .
В раскаленной среде ранней Вселенной три негравитационных взаимодействия оказываются связанными воедино .
Расчеты зависимости силы этих взаимодействий от энергии и температуры показывают , что до моментов примерно через 10 - 35 с после Боль - шого взрыва сильные , слабые и электромагнитные взаимодействия были одним « вели - ким объединенным » взаимодействием [1].
Процессы в сверхранней Вселенной , связанные с возникновением пространства и времени , рассматриваются в теории инфляции .
Теория инфляции. Стрела времени
Теория инфляции исходит из существования в бесконечной Вселенной не равной нулю вероятности флуктуации к низкой энтропии .
Малая флуктуация — вполне орди - нарный скачок к подходящим условиям в крошечном клочке пространства — сразу и неизбежно дает гигантскую и упорядоченную Вселенную , которую мы знаем .
Скачок к более низкой энтропии внутри ультрамикроскопического кусочка пространства был ис - пользован для инфляционного расширения в широчайшие просторы космоса .