В нулевой момент времени Вселенная возникла из сингулярности, то есть из точки с нулевым объемом и бесконечно высокими плотностью и температурой. Пытаясь объяснить происхождение Вселенной, сторонники Большого взрыва сталкиваются с серьезной проблемой, поскольку исходное состояние Вселенной в разработанной ими модели не поддается математическому описанию. В их описаниях Вселенная в начале представляла собой точку пространства бесконечно малого объема, имевшую бесконечно большую плотность и температуру. Такое состояние вещества в принципе не может быть описано математически. На языке науки это явление получило название «сингулярности».
В течение первой миллионной доли секунды, когда температура значительно превышала 10 12 К (по некоторым оценкам до 10 14 К), а плотность была немыслимо велика, происходили неимоверно быстро сменяющие себя экзотические взаимодействия, недоступные пониманию в рамках современной физики. Мы можем лишь размышлять, каковы были эти первые мгновения, например, возможно, что четыре фундаментальные силы природы были слиты воедино. Есть основания полагать, что к концу первой миллионной доли секунды уже существовал первичный «бульон» богатых энергией («горячих») частиц излучения (фотонов) и частиц вещества. Иными словами материя Вселенной представляла собой электронно-позитронные пары (е– и е+); мюонами и антимюонами (м – и м +); нейтрино и антинейтрино, как электронными (v e, v e), так и мюонными (v m, v m) и тау-нейтрино (v t, v t); нуклонами (протонами и нейтронами) и электромагнитным излучением. Эта самовзаимодействующая масса находилась в состоянии так называемого теплового равновесия.
В те первые мгновения все имевшиеся частицы должны были непрерывно возникать (парами – частица и античастица) и аннигилировать. Это взаимное превращение частиц в излучение и обратно продолжалось до тез пор, пока плотность энергии фотонов превышала значение пороговой энергии образования частиц. Когда возраст Вселенной достиг одной сотой доли секунды, ее температура упала примерно до 10 11 К, став ниже порогового значения, при котором могут рождаться протоны и нейтроны, некоторые из этих частиц избежали аннигиляции – иначе в современной нам Вселенной не было бы вещества. Через 1 секунду после Большого взрыва температура понизилась до 10 10 К, и нейтрино перестали взаимодействовать с веществом. Вселенная стала практически «прозрачной» для нейтрино. Электроны и позитроны еще продолжали аннигилировать и возникать снова, но примерно через 10 секунд уровень плотности энергии излучения упал ниже и их порога, и огромное число электронов и позитронов превратилось в излучение катастрофического процесса взаимной аннигиляции. По окончанию этого процесса, однако, осталось определенное количество электронов, достаточное, чтобы, объединившись с протонами и нейтронами, дать начало тому количеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во Вселенной.
Существует два основных взгляда на процесс формирования галактик. Первый состоит в том, что в любой момент времени в расширяющейся смеси вещества и излучения могли существовать случайно распределенные области с плотностью выше средней. В результате сил тяготения эти области сначала отделились в виде очень протяженных сгустков вещества. В этих сгустках начался процесс фрагментации, приведший к образованию облаков меньших размеров, которые позднее превратились в скопления и отдельные галактики, наблюдаемые сегодня. Далее в этих меньших (по галактическим размерам) сгустках под действием сил тяготения в случайных неоднородностях плотности началось формирование звезд. Другая точка зрения дает другой сценарий: вначале из флуктуаций плотности в расширяющемся первичном шаре сформировались многочисленные (малые) галактики, которые с течением времени объединились в скопления, в сверхскопления и, возможно, в более крупные иерархические структуры.
Главным в споре этих двух взглядов является ответ на вопрос, имел ли процесс Большого взрыва вихревой (турбулентный) характер или протекал более гладко. Признаков турбулентности в крупномасштабной структуре сегодняшней Вселенной не наблюдается. Вселенная выглядит удивительно сглаженной в крупных масштабах, несмотря на некоторые отклонения, в целом далекие галактики и их скопления галактики распределены по всему небу равномерно, а степень изотропности фонового излучения также довольно высока. Все это заставляет признать, что Большой взрыв был безвихревым, упорядоченным процессом расширения.
В 1978 г., пытаясь найти обоснование для наблюдаемого соотношения фотонов и барионов (10 8 : 1) М. Рис высказал предположение, что фоновое излучение может быть результатом «эпидемии» образования массивных звезд, начавшейся сразу после отделения излучения от вещества и до того, как возраст Вселенной достиг 1 млрд. лет. Продолжительность жизни этих звезд не могла превышать 10 млн. лет, многим из них было суждено пройти стадию сверхновых и выбросить в пространство тяжелые химические элементы, которые частично собрались в крупицы твердого вещества, образовав облака межзвездной пыли. Эта пыль, нагретая излучением догалактических звезд, могла, в свою очередь, испускать инфракрасное излучение, которое в силу его красного смещения, вызванного расширением Вселенной, наблюдается сейчас как микроволновое фоновое излучение.
Эта точка зрения не получила широкого признания, но в 1979 г. Д.П. Вуди и П.Л. Ричардс из Калифорнийского университета опубликовали результаты наблюдений, указывающие на некоторые отклонения характеристик микроволнового фонового излучения от кривой излучения абсолютно черного тела. В том же году М. Роуэн-Робинсон, Дж. Негропонте и Дж. Силк (Колледж королевы Марии, Лондон) указали, что отклонения обнаруженные Вуди и Ричардсом, может быть объяснено излучением пылевых облаков, образовавшихся вслед за «эпидемией» массового формирования звезд, что соответствует теории М. Риса. Если эта новая теория соответствует истине, то это означает, что подавляющее количество всей массы Вселенной содержится в невидимых остатках звезд первичного, догалактического, поколения и в настоящее время может находиться в массивных темных гало, окружающих яркие галактики, которые мы наблюдаем сегодня.
3. Современные теории о дальнейшей эволюции вселенной
Иногда сегодняшнюю стадию эволюцию Вселенной можно сравнить с фейерверком, который окончился. Остались горящие искры, пепел и дым. Мы стоим на остывшем поле, вглядываясь в стареющие звезды и вспоминая красоту и блеск Вселенной.
Что же ожидает нашу Вселенную в будущем, если она будет неограничено расширяться? О процессе продолжающегося расширения нашей Вселенной свидетельствуют почти все данные наблюдений. По мере расширения пространства материя становится все более разреженной, галактики и их скопления все более удаляются друг от друга, а температура фонового излучения приближается к абсолютному нулю. Со временем все звезды завершат свой жизненный цикл и превратятся либо в белых карликов, остывающих до состояния холодных черных карликов, либо в нейтронные звезды или черные дыры. Эра святящегося вещества закончится, и темные массы вещества, элементарные частицы и холодное излучение будут бессмысленно разлетаться в непрерывно разряжающейся пустоте.
Впрочем, черные дыры не останутся без работы. Имея на то достаточно времени, черные дыры поглотят огромное количество вещества вселенной. Если теория Хокинга верна, то черные дыры будут продолжать испускать излучение, но черным дыры (с массой равной массе Солнца) потребуется очень длительное время, прежде чем это заметно изменит что-то. Фоновое излучение остынет гораздо раньше, чем черные дыры начнут излучать больше, чем они будут поглощать из этого фонового излучения. Такой момент настанет тогда, когда возраст Вселенной станет примерно в десять миллионов раз больше предполагаемого на сегодня. Должно пройти около 10 66 лет, прежде чем черные дыры солнечной массы начнут взрываться, выбрасывая потоки частиц и излучения.
Дж. Б. Берроу из Оксфордского университета и Ф. Типлер из Калифорнийского университета в своих работах нарисовали картину отдаленного будущего неограниченно расширяющейся Вселенной. Даже внутри старой нейтронной звезды сохраняется еще достаточно энергии. Чтобы время от времени сообщать частицам, находящимся вблизи ее поверхности, скорость, превышающую скорость убегания. Предполагается, что в результате этого через достаточно продолжительное время все вещество нейтронной звезды должно испариться. Распадутся и черные дыры, вызвав рождение (в равных пропорциях) частиц и античастиц. По мнению Берроу и Типлера, если запас энергии во Вселенной достаточен только для того, чтобы обеспечить ее неограниченное расширение, то эффект электрического притяжения в электронно-позитронных парах перевесит и гравитационное притяжение и общее расширение Вселенной как целого. За определенное конечное время все электроны проаннигилируют со всеми позитронами. В конечном итоге последней стадии существующей материи окажутся не разлетающиеся холодные темные тела и черные дыры, а безбрежное море разреженного излучения, остывающего до конечной, повсюду одинаковой, температуры.
Второе начало термодинамики показывает, что конец эволюции Вселенной наступит, когда выровняется температура ее вещества. Так как тепло передается от более теплых тел к более холодным, различие их температур со временем сглаживается, и совершение дальнейшей работы становится невозможным. Эта мысль о «тепловой смерти» Вселенной была высказана еще в 1854 г. Г. Гельмгольцем (1821-1894). Интересно, что наше современное представление о неограниченно расширяющейся Вселенной вместе с концепцией квантового излучения черных дыр, которая основана на аналогии между гравитацией и термодинамикой, привели (более кружным путем) к тем же выводам, что сделал Гельмгольц.