Олег Фейгин - Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

Оставалось понять, какие физические превращения происходили и происходят на различных стадиях расширения нашего мира. Одним из первых к исследованию данной интереснейшей проблемы рождения вещества нашего мира приступил знаменитый американский физик русского происхождения Георгий Гамов. Именно он в сороковых годах прошлого века заложил основы фундамента современной космологии и космогонии — модели «горячей Вселенной».

Согласно модели горячей Вселенной, плазма и электромагнитное излучение на ранних стадиях расширения Вселенной обладали очень высокой плотностью и энергией. В ходе расширения Вселенной эта температура неуклонно падала. Затем равновесие образовавшегося водорода и гелия с излучением нарушилось — кванты излучения уже не обладали необходимой для ионизации вещества энергией и проходили через него как через прозрачную среду. Температура обособившегося излучения продолжала снижаться и к нашей эпохе составила всего несколько градусов Кельвина. Это излучение сохранилось до наших дней как эхо эпохи бурного рождения Вселенной в катаклизме Большого взрыва.

Новорожденная Вселенная прошла стадию чрезвычайно быстрого расширения (космологической инфляции), которая полностью изменила пейзаж младенческого космоса. До возраста приблизительно 300 тысяч лет Вселенная была кипящим котлом из электронов, протонов, нейтрино и излучения, которые взаимодействовали между собой и составляли единую среду, равномерно заполняющую всю раннюю Вселенную. Общее расширение Вселенной постепенно охлаждало эту среду, и, когда температура упала до значения нескольких тысяч градусов, наступило время для формирования стабильных атомов.

Астрономы предполагают, что важную роль на начальной стадии формирования галактик могли также играть черные дыры, собирая материю вместе посредством своей мощной гравитации. Новые открытия сверхмассивных черных дыр в центрах галактик только прибавляют в этом уверенности. Такая связь, естественно, вызывает вопрос и о том, что появилось сначала — галактика или черная дыра, хотя последние данные в большей степени указывают на то, что именно черные дыры формируют вокруг себя галактики.

Расширение пространства после Большого взрыва

Долгое время Вселенная, остыв после Большого взрыва, оставалась темной и холодной — ничто ее не освещало. Этот период, названный астрономами «темными веками», закончился, когда сформировались первые звезды. Здесь ученые столкнулись с одной из главных проблем современного естествознания — загадкой таинственной «темной материи» и «темной энергии». Очень ранний возраст Вселенной, к которому относят начало формирования первого поколения звезд, привел к идее о том, что таинственный тип невидимой материи гравитационно сконцентрировал вещество Вселенной вскоре после ее рождения, позволив сформироваться первым звездам и галактикам.===

Модели развития нашей Вселенной

Что ожидает наш мир в невообразимо далеком будущем? Ученые — физики, космологи и астрономы исходят в своих прогнозах из кривизны окружающего нас пространства. Так, если кривизна трехмерного пространства отрицательна или (в пределе) равна нулю (мир Ньютона, Лагранжа и Лапласа), то Вселенная бесконечна и мы имеем так называемую «открытую модель». В такой модели расстояния между скоплениями галактик со временем неограниченно возрастают, а в некотором экстремальном варианте ткань пространства начинает «растягиваться» так быстро (экспоненциально), что может произойти некий Большой «разрыв». Что это такое и тем более как выглядит, не знает никто, но вполне возможно, что по своему масштабу этот вселенский катаклизм может сравниться с началом Большого взрыва. В замкнутой модели кривизна пространства положительна, Вселенная конечна (но так же безгранична, как и в открытой модели); в такой модели расширение со временем сменяется сжатием до состояния Большого «хруста», являющегося полной противоположностью Большому взрыву.

Здесь необходимо остановиться и немного рассказать об этих удивительнейших небесных телах — черных дырах сколлапсировавших застывших звезд. Бездонный провал черной дыры коллапсара — это область пространства, в которой гравитационное притяжение настолько сильно, что ни вещество, ни излучение не могут эту область покинуть. Для находящихся там тел вторая космическая скорость (скорость убегания) должна была бы превышать скорость света, что невозможно, поскольку ни вещество, ни излучение не могут двигаться быстрее света. Поэтому из черной дыры ничто не может вылететь. Границу области, за которую не выходит свет, называют «горизонтом событий» или просто «горизонтом» черной дыры.

Чтобы поле тяготения могло навсегда «привязать» к себе электромагнитное излучение, масса тела должна сжаться до особого «гравитационного радиуса». Значение гравитационного радиуса чрезвычайно мало по сравнению с привычным размером физических тел. Например, для Солнца гравитационный радиус составляет около трех километров, а для Земли один сантиметр. По этой причине создать коллапсар в лабораторных условиях практически невозможно, ведь чтобы тело любой разумной массы, пусть даже в миллиарды тонн, стало черной дырой, его нужно сжать до размера элементарных частиц, поэтому свойства черных дыр пока изучаются только теоретически. Правда, большие надежды физики возлагают на новые сверхмощные ускорители элементарных частиц — коллайдеры. В них на встречных пучках будут попадаться частицы, движущиеся с огромной скоростью и, соответственно, обладающие гигантской энергией. Теоретики предсказывают, что при определенных условиях в акте столкновения нескольких частиц может произойти микроколлапс с образованием черной микроскопической дыры. Впрочем, большинство ученых сходятся во мнении, что подобные чудеса произойдут не скоро.

Расчеты астрофизиков показывают, что тела астрономического масштаба (например, массивные звезды) после истощения в них термоядерного топлива могут под действием собственного тяготения сжиматься до размера своего гравитационного радиуса. Поиск таких объектов ведется уже много десятков лет, и сейчас можно с большой уверенностью указать сотни вероятных кандидатов в черные дыры с массами от единиц до миллиардов масс Солнца. Однако их изучение затруднено огромными расстояниями от Земли. И хотя сам факт существования черных дыр уже особо не подвергают сомнению, практическое изучение их свойств еще впереди.