Константин Крамаренко - Вещи не то, чем кажутся. 100 фреймов УНИВЕРСУМА

Откуда и почему произошёл Большой взрыв? Как из Ничто возникла огромная Вселенная во всём своём последующем многообразии? Для обыденного сознания такое не просто понять. Воспользуемся аналогией из нашего макромира. Откуда и почему рождается живописное полотно у художника? По сути краски, кисти и холст – это всего лишь инструменты для будущего творения. Необходимо определиться с выбором сюжета, формы, цветовой гаммы и т. д. Как возникают мысли в мозге? Несомненно, субстратом их продуцирующим, является нейронная сеть, но почему и как рождается конкретная идея? Иногда совершенно пустая, а порой гениальная. Люди как творчества, так науки чаще всего объясняют это озарением, прозрением, инсайтом, возникающим «из ничего».

В физике элементарных частиц возникновение Нечто из Ничто не является чем-то необычным. При крайне высоких значениях напряжённости электрического поля спонтанно, «из ничего», рождаются электроны и позитроны. Вблизи чёрных дыр из-за колоссальной гравитации вакуум постоянно испускает вновь рождённые элементарные частицы. Это излучение чёрных дыр было открыто знаменитым физиком Стивеном Хокингом. Поэтому само происхождение Большого взрыва не должно ассоциироваться с кроликом, появляющимся из шляпы, когда зрители в зале прекрасно понимают, что их обманывают. А вот вопрос, что же происходило дальше, является как раз краеугольным камнем в космологии.

В 80-х годах XX века А.Г. Гутом и П.Д. Стейнхардтом была разработана новая концепция, получившая название теории Раздувающейся Вселенной. Она позволила разрешить ряд проблем, присутствующих в концепции Большого взрыва, связанных с ранними фазами рождения Вселенной. Для этого были использованы достижения физики элементарных частиц, поскольку Вселенная являлась микрообъектом и подчинялась законам квантовой механики. К этому времени в физике была создана теория Великого объединения, единообразно описывающая электромагнитное, слабое и сильное ядерные взаимодействия. Также сформировались подходы к разработке теории Всего сущего, которая присоединила сюда ещё и гравитацию. Это было огромным достижением, так как природа, механизмы, силовые компоненты этих взаимодействий были совершенно различны. Если рассматривать физические взаимодействия частиц, то они характеризуются наличием базовых частиц, называемых фермионами, и частиц, которыми они обмениваются – бозонами. В электромагнитном взаимодействии фермионами являются электроны, а бозонами – фотоны. В слабом ядерном – обменными частицами выступают уже три бозона W+, W- и Z0. В сильном ядерном взаимодействии обменные частицы – это глюоны, их 8 типов, связывающих кварки, из которых состоят адроны, например, такие как протоны и нейтроны. За гравитационное взаимодействие ответственны гравитоны. Так вот, если за единицу принять сильное ядерное взаимодействие, то электромагнитное составит от него 1/137, слабое ядерное 10 -4, а гравитационное – 10 -34[36].

Выяснилось, что при температуре 10 15градусов К (Кельвин, единица измерения температуры), слабое ядерное и электромагнитное взаимодействия сливаются в единое целое и становятся неразличимыми. При температуре 10 27К происходит так называемое Великое объединение, когда сливаются сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия. И наконец при энергиях, соответствующих температуре 10 32Кельвина, к ним присоединяется гравитационное взаимодействие. Такие фазовые переходы оказали существеннейшее влияние на раннюю историю нашей Вселенной [37].

Другой важнейшей физической реальностью, с которой связано рождение нашего мира, является вакуум. Вакуум в квантовом мире кардинально отличается от вакуума в классической физике, где он представляется как пустота. В микромире вакуум – это не пустота. Дело в том, что из-за соотношения неопределённости энергии происходят её флюктуации, возникают и исчезают частицы, которые называют виртуальными. В настоящее время энергия вакуума крайне мала, но так было не всегда. Для лучшего понимания вакуум можно сравнить с агрегатными состояниями вещества, при изменении которых поглощается или выделяется энергия. 13,7 млрд лет назад и произошёл такой фазовый переход, в результате чего выделилось огромное количество энергии. За состояние вакуума отвечает поле Хиггса, скалярное поле, присутствующее в пространстве. В самые первые мгновения горячего Большого взрыва во Вселенной с её микроскопическим размером 10 -28см температура превышала состояние «Великого объединения», составляя 10 32градусов Кельвина, а плотность могла достигать планковских величин (10 94г/см 3). При падении температуры до 10 27Кельвина происходит «отщепление» гравитации, и это соответствует бифуркационной фазе. Остывая до температуры ниже 10 27Кельвина, возникает фазовый переход, приводящий к нарушению симметрии физических взаимодействий. Однако он осуществляется медленнее по сравнению со скоростью остывания Вселенной. Возникает так называемое явление переохлаждения, что приводит к возникновению ложного вакуума. В отличие от истинного вакуума, плотность энергии ложного вакуума может быть очень велика. Согласно общей теории относительности, давление ложного вакуума оказывает влияние на гравитацию. Ложный вакуум, как особое состояние поля Хиггса, порождает эффект, связанный с отрицательным давлением, приводящий к гравитационному отталкиванию, что создаёт ускоренное расширение Вселенной, масштабы которой экспоненциально увеличиваются каждые 10 -34секунды. Этот период быстрого расширения получил название инфляции. В результате сформировалась фаза с нарушенной симметрией. Поскольку в этих условиях состояние ложного вакуума неустойчиво, то это привело к переходу плотности энергии ложного вакуума в плотность массы обычной горячей материи, что вновь разогрело Вселенную до 10 27градусов Кельвина. Далее Вселенная уже расширяется и охлаждается в соответствии с моделью Большого взрыва [38].

Теория инфляции объяснила отсутствие кривизны за счёт фазы быстрого расширения. Она также ввела на основе теории Великого объединения параметры температуры, плотности, временные характеристики и объяснила превалирование вещества над антивеществом. Так, распад бозонов Хиггса, приведшей к образованию обычных частиц материи и античастиц, оказался несимметричным. Эта теория в современных её модификациях создала условия для развития идей Мультивселенной, согласно которой наша Вселенная с её набором пространственных измерений является всего лишь одной из множества миров, где реализуются N пространственно-временные многообразия, поскольку в момент фазового перехода вакуума могло образоваться много областей пространства, претерпевших фазу инфляции.