§ 2. Полный космологический сценарий

Полный космологический сценарий эволюции нашей Вселенной (Метагалактики) на данном этапе достаточно хорошо описывается космологической моделью Фридмана расширяющейся Вселенной, несомненным достоинством которой являются подтверждающие ее астрономические наблюдения. Трудности в рамках этой модели начинаются при описании ранних стадий расширения, и от их преодоления зависит решение ряда фундаментальных проблем сегодняшней космологии и в целом создания теории мироздания.

Одной из наиболее сложных и интересных, на протяжении всего времени существования модели Фридмана, остается проблема начальных параметров Вселенной. Согласно результатам, полученным С.Хокингом и Р.Пенроузом, экстраполяция назад по времени в этой модели к моменту рождения Вселенной, при выполнении условия энергодоминантности заполняющей Вселенную материи, с необходимостью приводит к возникновению физической сингулярности (момента возникновения). Выдвигались различного рода предположения, позволяющие избежать в решении как сингулярного начала в процессе эволюции модели, так и самого акта «творения», но безрезультатно.

В последние два десятилетия положение изменилось кардинальным образом, в том числе были сформулированы новые космологические модели. Появилась реальная возможность постановки вопроса о пространственно-временных и энергетических границах применимости моделей и приведения их в соответствие с современными достижениями физики микромира (см. Гл.2, §4). Новый подход к решению старых проблем космологии начался с изучения раннего этапа эволюции Вселенной. Важным моментом, позволяющим получить принципиально новые результаты, явилось предположение о реализации на самых первых этапах эволюции экспоненциальной стадии расширения. Одна из моделей такой Вселенной называется раздувающейся, или инфляционной.

На стадии раздувания основная роль отводится существованию нового вида материи с необычным вакуумным состоянием, в котором материя имеет огромное отрицательное давление. В таком вакууме расширение может начинаться с положительным ускорением при нулевой начальной скорости.

Энергетическая проблема производства вещественно-полевой компоненты материи также получает определенное решение. Согласно первому закону термодинамики, плотность энергии вакуума на начальном этапе эволюции остается постоянной. Объем Вселенной в стадии инфляции становится все больше, а плотность фактически не меняется, она падает чрезвычайно медленно. Из-за этого масса материи в нашей Вселенной все возрастает. Затем, уже непосредственно в процессе раздувания, происходит перекачка запасенной энергии вакуума в вещественно-полевую составляющую.

Благодаря введению представления об инфляционной стадии, появилась возможность корректной постановки вопроса о происхождении нашей Вселенной. В настоящее время наиболее вероятные процессы к ее рождению связываются в основном с квантово-гравитационными явлениями типа подбарьерных туннельных переходов («кротовых нор») или отщеплением от другой вселенной. Не ослабевает интерес к модели, в основе которой лежит идея спонтанного рождения замкнутой Вселенной из «ничего» – как некоторой квантово-гравитационной флуктуации вакуума. Главное условие реализации такой возможности связано с требованием выполнения наиболее общих законов сохранения.

В большинстве модельных представлений начальному состоянию, с которого начинается рассмотрение, соответствуют планковские значения физических величин. Под планковскими в физических теориях понимаются такие инвариантные значения размеров(l), массы(m) и времени(t), которые играют ограничивающую роль или, в более щироком смысле, роль актуального нуля, или актуальной бесконечности и выражаются через фундаментальные физические постоянные нашей Вселенной (ФФП) – h, c и G (соответственно постоянная Планка, скорость света и гравитационная постоянная) : l_pl = (ħG/c³)^1/2 = 1,62·10^-33 см, m_pl = (cħ/G)^1/2 = 2,18·10^-5 г, t_pl = (ħG/c⁵)^1/2 = 5,4·10^-44c. Это может быть связано, по-видимому, непосредственно с планковскими пределами применимости основных физических теорий и обусловлено, в конечном счете, возможной планковской структурой вакуума.

Можно сделать и более общее предположение: на некотором этапе эволюции Вселенной реализуется состояние, когда все физические параметры системы имеют планковские значения.

В дальнейшем будем считать, что прохождение Вселенной на определенном этапе эволюции планковской области физических параметров не противоречит современным теоретическим представлениям. Прежде чем вернуться к рассмотрению проблемы начала Вселенной, кратко остановимся на некоторых квантово-гравитационных явлениях, происходящих в развитой (например, сегодняшней) Вселенной с полностью сформировавшейся внутренней структурой.

В свое время С. Хокинг обратил внимание на возможность испарения черной дыры: когда её масса стремится к планковской массе( M_i→m_pl ). При достижении этих параметров становится неприменимой классическая общая теория относительности, и представления о дальнейшей эволюции объекта ограничиваются на данный момент различного рода предположениями. Например, наиболее предпочтительный вариант развития событий: черная дыра с массой 10^-5 г или меньше распадается мгновенно, поскольку образование стабильных состояний объектов с планковскими параметрами, сдерживаемыми гравитацией, в природе не происходит. Черная дыра, испустив частицы, превращается в замкнутое пространство, не связанное с нашим, т.е. полностью исчезает из нашего пространства. Такое отмыкание объекта можно трактовать как нарушение связности нашего трехмерного пространства.

Явление отщепления замкнутой области с планковскими параметрами может быть представлено и как некоторый туннельный процесс. С общефизической точки зрения уход объекта из нашего пространства означает полное прекращение причинно-следственных отношений (в современном их понимании) с любыми внутренними объектами, принадлежащими нашей Вселенной.

В рамках концепции множественности миров можно предложить следующий сценарий развития событий. В результате испарения черной дыры, принадлежащей к нашему пространству-времени, формируется объект с планковскими параметрами. После отщепления и ухода из нашего пространства-времени этот объект с планковскими параметрами начинает собственное развитие и служит исходным состоянием рождающейся новой вселенной, аналогичной нашей. В свою очередь, наша Вселенная появилась вследствие отщепления подобного объекта в процессе испарения черной дыры в пространстве-времени предыдущей вселенной. Конечно, это не означает, что вместе с рождением вселенной рождается и материя. Подобные эволюционные процессы могут происходить на фоне вакуума и при непосредственном взаимодействии с ним. Наша Вселенная выступает здесь как одна из реализованных возможностей саморазвития физического вакуума.

Надо отметить, что аналогичной точки зрения придерживается и космолог Ли Смолин. Основываясь на идеях Дж.А.Уилера относительно неизбежной гибели черных дыр, Смолин рисует космологический сценарий, который смог бы объяснить значение параметров стандартной модели физики элементарных частиц. Он следует гипотезе, согласно которой каждая черная дыра в нашей Вселенной ведет к созданию новой вселенной. Большой взрыв, явившийся источником нашей Вселенной, согласно этому предположению, был результатом формирования некой черной дыры в другой вселенной.

Таким образом, в инфляционной модели обозначился переход от стадии раздувания к стадии фридмановского расширения, этому моменту соответствует время t₁ ≈ 10^-35 c, до которого расширяется только однородная вакуумноподобная среда. Затем происходит фазовый переход этой среды в вещественную компоненту (материю нашей Вселенной или «другую» материю другой вселенной), и Вселенная начинает фридмановскую стадию эволюции. Выбор момента t¹ фазового перехода обязан энергетическим характеристикам области объединения трех видов взаимодействия (электромагнитного, слабого и сильного) в рамках теории Великого объединения (стандартная модель). В рамках инфляционной модели, в результате раздувания микроскопических флуктуаций квантового вакуума, может появляться непредсказуемое однозначное число вселенных, в том числе, подобных нашей. Все это нашло свое отражение в сценариях перманентного массового рождения вселенных .

Наконец, несколько лет назад выяснилось, что и фридмановская фаза расширения ограничена во времени. Некоторые авторы сравнивают сегодняшнее положение в космологии с революционной ситуацией, которая может быть сформулирована в виде тезисов.

Итак, а) во Вселенной доминирует вакуум; по плотности энергии он превосходит все «обычные» формы космической материи вместе взятые; б) динамикой космологического расширения управляет антигравитация; в) космологическое расширение ускоряется, а четырехмерное пространство-время мира становится тем временем статическим.

Все эти тезисы были сформулированы, основываясь не на какой-либо теоретической модели, а на наблюдательных данных, что, несомненно, является более весомым аргументом при анализе ситуации в современной космологии. Данные наблюдений показали, что убывание яркости сверхновых (зависимость их блеска от красного смещения) происходит заметно быстрее, чем этого следовало бы ожидать согласно фридмановской стадии в рамках стандартной космологической модели. Интерпретация дополнительного смешения линий однозначно указывает на то, что данному красному смещению соответствует некоторая эффективная добавка, расстояния. Но это возможно тогда (как все сейчас думают, только тогда), когда космологическое расширение происходит с ускорением, т.е. когда скорость удаления от нас источника не убывает, а возрастает со временем.

Причина сложившейся ситуации связана с тем, что, оказалось, существует необнаруженный на сегодняшний день новый вид материи («темная материя»), поведение которого напоминает описанное нами выше поведение вакуумоподобного состояния материи. На сегодня по этому поводу существуют некоторые разногласия: одни считают, что открыт именно вакуум, другие предполагают, что космологическое ускорение создается не вакуумом, а неизвестной до сих пор и полностью гипотетической квинтэссенцией. Под последней понимается особая форма космической энергии («темная энергия») с отрицательной эффективной гравитирующей плотностью. Это значит, что, не будучи вакуумом, квинтэссенция тоже способна создавать антигравитацию, а значит, и ускорение космологического расширения.

Наблюдательные данные говорят о том, что на сегодняшний день средняя плотность вакуума (квинтэссенции) превышает суммарную плотность всех остальных видов материи, участвующих в формировании динамики Вселенной, включая и темную материю галактик. Отметим, что в процессе расширения Вселенной плотность этого вида материи не менялась. По оценкам, значение квинтэссенции на сегодняшний день соответствует (в единицах критической плотности) ~ 95% всей плотности Вселенной. Тогда как на долю вещественно-полевой компоненты, до сих пор считавшейся доминирующей, остается ~ (2-4)%. Это означает, что в процессе эволюции Вселенной существовал момент времени, когда уменьшающаяся плотность материи, ответственная за фридмановскую стадию расширения, сравнивается с плотностью квинтэссенции (темной материи), а затем становится меньше. В нашем сценарии этот переход соответствует времени t_v ~ 7-8 млрд.лет, если принять, что современный возраст нашей Вселенной составляет t_p ~15 млрд.лет, то можно констатировать, что мы в настоящее время живем в ускоренно расширяющейся Вселенной.