Сергей Парновский - Как работает Вселенная: Введение в современную космологию

Представьте себе замкнутую космологическую модель, которая начинается с Большого взрыва, затем следует расширение, сменяющееся коллапсом и космологической сингулярностью в будущем. Космологическая сингулярность имеет практически официальное английское название Big Bang, обычно переводимое как Большой взрыв, хотя более точно было бы перевести его как «Большой бух». Аналогично сингулярность, которая произойдет в будущем, имеет английское название Big Crunch, которое дословно переводится как «Большой хруст», но мы иногда используем вариант имени Коровьева «Большой хрусть» в подражание звуку ломающегося от сжатия предмета. На русский язык это обычно переводят как «Большое сжатие», но этот термин лишен экспрессии, сопоставимой с английским термином.

В пульсирующей Вселенной за «хрусть» следует «бух» для новой версии Вселенной, потом опять «хрусть», опять «бух» и т. д. В результате мы имеем большое, а может, даже бесконечное число версий Вселенной, выстроенных вдоль оси времени. Можно говорить о цепи реинкарнаций Вселенной, если вам нравятся подобные сравнения.

Сколько времени проходит между концом одной версии Вселенной и началом следующей? Вопрос бессмысленный, поскольку в этом промежутке не существует Вселенной, а следовательно, и времени. Если допустить, что разные версии Вселенной могут иметь принципиально разные физические законы, мы получим нечто вроде модели Поливерсума, в которой разные миры разделены не в пространстве, а во времени. Наша версия Вселенной «вытащила выигрышный билет» в лице нас с вами.

Исторически идея пульсирующей Вселенной предшествовала идее Поливерсума, и следует признать, что по сравнению с идеей Поливерсума она имеет ряд недостатков. Во-первых, если Вселенная начинается с Большого взрыва и заканчивается Большим сжатием, то с точки зрения физики мы не можем рассматривать периоды времени до Большого взрыва и после Большого сжатия. Никто не может запретить это делать философам, но, вообще говоря, следующая версия Вселенной настолько же не связана с нашей, как и другие вселенные, рождавшиеся при квантовых флуктуациях. Почему не связана? Если бы следующая Вселенная была связана с нынешней, то и нынешняя должна была бы быть связана с предыдущей. Поскольку нет никаких способов это проверить либо доказать отсутствие такой связи, такая гипотеза не является научной.

Второй аргумент против этой гипотезы заключается в следующем соображении. Почему Вселенная родилась однородной и изотропной, мы не знаем, поскольку нам неизвестны причины и механизм ее рождения. Вполне возможно, что она не была однородной и изотропной, а стала такой в результате инфляции, по крайней мере в масштабах наблюдаемой нами части.

Но, как следует из анализа гравитационной устойчивости изотропных решений, проведенного Евгением Лифшицем, на стадии сжатия она становится особо нестабильной. Флуктуации нарастают настолько, что ожидать, что Большое сжатие будет описываться однородной изотропной моделью, было бы неоправданным упрощением. В ОТО известно общее решение вблизи космологической сингулярности, найденное Владимиром Белинским, Евгением Лифшицем и Исааком Халатниковым и независимо от них Чарльзом Мизнером. Это очень сложное решение, имеющее колебательный характер и содержащее бесконечное число периодов времени, в течение которых Вселенная сжимается по двум осям и расширяется по третьей, причем в каждом периоде эти оси расположены по-своему. Уже из этого описания видно, что Большое сжатие будет совсем не похоже на изображаемую в научно-популярных фильмах картину Большого взрыва, но с обращенным знаком времени. Тогда возникает естественный вопрос: почему Вселенная, столь не изотропная перед своей кончиной, рождается столь изотропной? Следует признать, что это возражение не против самой идеи пульсирующей Вселенной, а против применения к ней моделей Фридмана.

А теперь приведем третий и главный аргумент. При существующих оценках космологических параметров наша Вселенная будет расширяться вечно, и никакого Большого сжатия в ней не наступит. Впрочем, это не означает, что не было предыдущих схлопнувшихся Вселенных, но тогда следует признать, что наша Вселенная выделена.

Таким образом, идея о пульсирующей Вселенной не дает никаких существенных преимуществ, не согласуется с наблюдениями и имеет ряд собственных недостатков.

Чем могла быть заполнена Вселенная, кроме привычных для нас галактик и звезд? Звезды и галактики сформировались во Вселенной относительно поздно; в ранней Вселенной они не существовали. На ранних этапах Вселенная представляла собой достаточно однородную среду. Вот только состав этой среды менялся в зависимости от возраста Вселенной и, соответственно, ее температуры. Так, например, был период, когда основным содержимым Вселенной было электромагнитное излучение. Протоны, электроны и другие частицы, из которых состоят привычные для нас атомы, составляли лишь небольшую часть общей плотности Вселенной. Сейчас, напротив, плотность энергии материи существенно превышает плотность энергии излучения. Был период, когда Вселенная состояла из смеси протонов и нейтронов, которые при столкновениях образовывали атомные ядра легких элементов.

Часть химических элементов образовалась непосредственно на ранних стадиях существования Вселенной, когда она была достаточно однородной. Этот процесс называется первичным нуклеосинтезом. Речь идет о тех самых первых трех минутах, описанных в книге Вайнберга (Вайнберг, 1981). После их окончания Вселенная содержала следующие элементы: 1H – 75 %, 4He – 25 %, 2H – 3×10–5, 3He – 2×10–5, 7Li – 10–9. Числа означают массовую долю отдельных элементов. Это было главным результатом космологических исследований Гамова.

Буквы с числами являются обозначениями изотопов. Буквы соответствуют обозначению химического элемента в периодической таблице и указывают число протонов в ядре, которое соответствует порядковому номеру элемента в таблице. Числа соответствуют атомному весу изотопа в атомных единицах, т. е. общему числу протонов и нейтронов в ядре. Изотопы обычно произносятся как латинское название элемента с последующим числом, указывающим на его вес. Например, изотоп 238U (произносится как уран-238) имеет 92 протона (число равно порядковому номеру урана в таблице Менделеева) и 146 нейтронов (рассчитано, как 238 минус 92).

Эта система наименований никогда не используется для изотопов водорода, называемых их собственными именами: 1H называется протий, 2H – дейтерий, а 3H – тритий. Ядро протия – это просто одиночный протон, у дейтерия его называют дейтроном. Есть только один изотоп другого элемента, конкретно 4He, ядро которого имеет собственное имя. Его называют альфа-частицей, да и то только тогда, когда он является побочным продуктом какой-то ядерной реакции или когда говорится о потоке альфа-частиц; во всех других случаях его по-прежнему называют ядром гелия-4.