Краткая История Вселенной

    История исследований. Эйнштейн считал, что Вселенная вечна и стационарна. В 1916 астроном Карл Шварцшильд, решая на русском фронте уравнения Эйнштейна, нашел, что при определенном отношении массы звезды к ее радиусу ничто (включая свет) не может ускользнуть из такой гравитационной ловушки (такие объекты впоследствии были названы Джоном Уилером черными дырами). Шварцшильд послал работу Эйнштейну и тот представил ее немецкой академии, но через несколько месяцев Шварцшильд умер в возрасте 42 лет от кожной болезни, полученной на фронте. В начале 1920-х советский метеоролог Александр Фридман нашел решение уравнений Эйнштейна, в котором Вселенная возникает и развивается из начального состояния бесконечного сжатия. Эйнштейн опубликовал короткую заметку о якобы найденной им ошибке в решении Фридмана, но через 8 месяцев снял свои возражения, хотя и не считал это решение относящимся к нашей Вселенной.
 

До конца своей жизни в 1953 Хаббл так и не решил для себя, говорит ли красное смещение о расширении Вселенной, или оно обязано "некоему новому принципу природы"; так или иначе, его имя навсегда осталось в списке величайших ученых всех времен

        В 1927, после кропотливых наблюдений за несколькими десятками галактик на 100-дюймовом телескопе в обсерватории Маунт Вильсон, Эдвин Хаббл показал наличие у галактик красного смещения, что он интерпретировал как разбегание галактик и расширение Вселенной. Детальная разработка модели Большого Взрыва была осуществлена в 50-х Георгием Гамовым и его студентами Ральфом Альфера и Робертом Харманом. Решающее подтверждение было найдено в 1965 Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном из лаборатории им. Белла в Нью-Джерси. Работая с антенной спутниковой связи, они обнаружили микроволновое послесвечение неба от Большого Взрыва с предсказанной теорией температурой 2,7 К (Нобелевская премия 1978). В одном кубометре пространства находится около 400 миллионов фотонов этого эха от сотворения Мира

    История Мироздания. Итак, около 14 миллиардов лет назад Вселенная изверглась в результате мощного взрыва из точечного сигнулярного состояния, разметавшего в стороны все пространство и материю. Спустя t~10^-43 с (планковское время) температура Т составляла 10³²  К, что в 10²⁵ раз больше температуры в недрах солнца, плотность была колоссальной 10⁹⁷ кг/м. До t~10^-35 с сильное, слабое и электромагнитное были единым "великим объединением", затем происходит фазовый переход (нарушение симметрии) с выделением сильного взаимодействия.
        Между 10^-12 и 10^-10 с так называемая энергия вакуума квантовых полей переходит в энергию рождающихся фотонов, глюонов и других элементарных частиц. Плотность энергии излучения настолько велика, что энергией остальных компонент можно попросту пренебречь. Из излучения рождаются пары частиц и античастиц, которые, в свою очередь, аннигилируют обратно в излучение.
        При t~10^-10 с происходит еще один фазовый переход с разделением слабого и электромагнитного взаимодействий. При более высоких энергиях бозоны безмассовы как фотоны (переносчики электромагнитного взаимодействие) или как глюоны (переносчики сильного ядерного взаимодействие между кварками), поэтому слабое взаимодействие имело бесконечный радиус действия. При более низких энергиях бозоны становятся большими и тяжелыми (срабатывает механизм динамического рождения массы), поэтому слабое ядерное взаимодействие действует только на масштабах порядка 10^-16 см (около одной тысячной размера ядра). При падении температуры во Вселенной бозоны обрели массу, что существенно замедлило их и резко уменьшило радиус взаимодействия.
        Через t~10^-5 с после Большого Взрыва температура упала до 10¹³ К (плотность - до 10¹³ кг/м), и стало возможным объединение кварков и глюонов в пи-мезоны, протоны и нейтроны. Нарушилось термодинамическое равновесие рождения пар барион-антибарион из излучения с их аннигиляцией, после чего осталась лишь небольшая часть протонов и нейтронов, при t~10^-3 с начали быстро аннигилировать мюоны, а через 10 с - электроны и позитроны. Наша Вселенная состоит из вещества, и в ней практически отсутствуют массы антивещества, а это указывает на несохранение барионного заряда при сверхвысоких энергиях (более 10¹⁵ ГэВ), в результате чего образовался небольшой излишек протонов над антипротонами (отношение количества протонов np и реликтовых фотонов n? в настоящее время составляет np/n? =10^-8-10^-10 ).
        До эпохи t~1 с протоны и нейтроны легко переходили друг в друга путем испускания или поглощения нейтрино, антинейтрино, электронов или позитронов (плотность уменьшилась до 10⁹ кг/м). Затем, вследствие падения своей энергии, нейтрино и антинейтрино перестали участвовать в преобразовании протонов в нейтроны (перестали взаимодействовать с веществом, Вселенная стала для них прозрачной), но нейтроны продолжали распадаться на протоны (по слабому ядерному взаимодействию), в связи с чем их начальное равное соотношение последовательно сдвинулось: к 38-62% (при t~0,1 с), к 24-76% (при t~1 с), а затем - к современному отношению 13-87% (при t~3 мин).

Начальное расширение Вселенной было невероятно быстрым - она выросла из флуктуаций квантовых масштабов за одну триллионную секунды. Этот космологический сценарий, известный как теория инфляции, теперь подтверждается результатами анализа данных, полученных за три года космическим аппаратом WMAP. Приборы на борту WMAP регистрируют космическое реликтовое излучение - послесвечение, дошедшее до нас из ранней Вселенной. Удивительные успехи WMAP в изучении первой триллионной доли секунды и выборе наиболее вероятного сценария инфляции обусловлены его способностью осуществлять беспрецедентно точные измерения свойств реликтового излучения. Эти едва уловимые свойства объясняются условиями в ранней Вселенной и связаны с первыми моментами ее существования. Показанная здесь диаграмма схематически изображает всю историю Вселенной, продолжавшуюся 13.7 миллиардов лет (плюс одна триллионная секунды) от квантовых масштабов до формирования звезд, галактик, планет и самого аппарата WMAP.         В течение следующих трех минут до температуры 10⁹ К (всего в 70 раз горячее, чем в центре Солнца) стали формироваться ядра легких элементов (первичный нуклеосинтез): водорода (один протон) и гелия (два протона и два нейтрона) в соотношении 3:1 (что определено соотношением протонов к нейтронам), с небольшой добавкой дейтерия (3ћ10^-5%, один протон и один нейтрон) и лития (10^-9%). Отсутствие подходящих ядер с массовым числом 5 тормозило дальнейшие реакции, делая образование более тяжелых элементов маловероятным событием. Далее плотность вещества упала настолько, что расстояние между элементами стало больше радиуса действия ядерных сил (10^-13 см), и интенсивный синтез ядер прекратился. Небольшое количество нейтронов, не вошедших в состав ядер, быстро распалось (на протоны, позитроны и нейтрино).
        В течение следующих 10 тысяч лет вследствие расширения Вселенной вещество теряет свою плотность энергии менее быстро, чем излучение (поскольку при расширении увеличивается и длина волны фотонов). Все это приводит к тому, что вещество начинает доминировать над излучением, определяя дальнейшую эволюцию Вселенной. Фотоны приходят в состояние теплового равновесия и начинают вести себя как излучение абсолютно черного тела. Это излучение охлаждалось миллиарды лет, и теперь его температура составляет всего несколько градусов выше абсолютного нуля, и теперь мы наблюдаем его как космическое микроволновое фоновое излучение.
        Спустя пятьсот тысяч лет температура упала до нескольких тысяч градусов, свободные электроны настолько замедлились, что стали захватываться ядрами с образованием электрически нейтральных атомов, и Вселенная стала прозрачной для фотонов (излучение отделилось от вещества). Разница температуры фонового излучения ~3000 К и современным  ~3 К обусловлена тем, что с эпохи просветления Вселенной ее размеры увеличились примерно в 1000 раз.
        Миллиард лет спустя, в связи с преобладанием вещества и действием гравитационных сил малые возмущения плотности вещества начинают расти и сливаться друг с другом, образуя протогалактики. Составляющий их водородный газ собирается и уплотняется, повышение центральной температуры приводит к началу термоядерного горения водорода - так зажигаются звезды первого поколения. В процессе термоядерного горения в недрах звезд синтезируются тяжелые элементы. По исчерпании водородного топлива давление излучения уже не может сдерживать гравитацию звезды, и некоторые сверхмассивные звезды катастрофически коллапсируют, взрываются в виде сверхновых, разбрасывая свои внутренности на огромные расстояния. Эти отходы жизнедеятельности первых звезд (навоз) участвуют в следующем этапе звездообразования и формировании планет, становясь, в частности, биологическим материалом для наших тел.

    Проблема плоскостности. Судя по результатам наблюдений, в нашей Вселенной плотность энергии всего вещества r, включая темную материю и космологическую постоянную, с хорошей точностью равна критической rкр, из чего следует, что пространственная кривизна должна быть равна нулю. Из уравнений Эйнштейна следует, что любое отклонение от плоскостности в расширяющейся Вселенной, заполненной только обычным веществом и излучением, только увеличивается с расширением Вселенной. Таким образом, даже очень небольшое отклонение от плоскостности в прошлом должно быть очень большим сейчас. Так, если предположить, что сейчас r  в 2 раза превосходит rкр, то в эпоху Планка (когда еще применима теория) их разность была менее 10^-60. Очевидно, Природа могла выбрать любое начальное значение r. При очень малом отклонении от начального значения r. Вселенная могла быть совершенно другой: она или давно уже бы сколллапсировала вследствие гравитационного торможения расширения, или расширялась бы столь быстро, что галактики и звезды не успели бы образоваться. По результатам наблюдений сейчас отклонение от плоскостности (если оно и есть) очень мало. Почему Большой Взрыв начался с таким ошеломляюще мизерным отклонением геометрии от плоской? Эта проблема называется проблемой плоскостности космологии Большого Взрыва (наша Вселенная сверхслучайная). Независимо от физики, которая предшествовала Большому Взрыву, она перевела Вселенную в состояние с нулевой пространственной кривизной. Таким образом, физическое описание того, что предшествовало Большому Взрыву, должно решить проблему плоскостности.

    Космологическая постоянная L была введена в 1916 Эйнштейном в свои гравитационные уравнения, в попытке построить модель стационарной Вселенной (до результатов Хаббла оставалось еще долгих 13 лет). L определяет силу отталкивания (антигравитация), противодействующую гравитации и в отличие от последней возрастающей с расстоянием, поэтому ее действие проявляется только в космологических масштабах. Однако эта модель оказалась замкнутой и неустойчивой, слабые возмущения приводили к ее ускоренному расширению или сжатию, поэтому Эйнштейн вскоре отказался от своего космологического члена. Споры по поводу L в уравнениях Эйнштейна продолжались десятилетия. Тем не менее, ускоренное расширение Вселенной, обнаруженное в 1998 по сверхновым типа 1a (белый карлик вблизи звезды аккретирует ее вещество и, накопив достаточную массу, взрывается сверхновой) и начавшееся 6 млрд. лет тому назад, объясняется отрицательным давлением космического вакуума, существование которого и отражается добавочным космологическом членом уравнений Эйнштейна. Вакуум не синоним пустоты, на планковских масштабах он наполнен виртуальными частицами различного сорта. Эта кипящая, бурлящая, неустойчивая смесь может быть ответственна за космологической отталкивание, а это означает, что расширение Вселенной будет происходить вечно.

Проплывая сквозь стратосферу над Антарктидой в конце 1998, баллонный телескоп Бумеранг взглянул в Космос в свете миллиметровых волн. Были зарегистрированы пятнистые структуры. Это самое четкое изображение ранней Вселенной, когда ей было всего лишь около 300 тысяч лет. На нем обнаруживаются едва заметные флуктуации температуры горячей плазмы, которая заполняла Вселенную, до того, как она из-за расширения успела остыть, и в ней сформировались знакомые нам звезды и галактики. Удивительно, но размер флуктуаций, обнаруженных Бумерангом, заставил космологов убедиться в том, что Вселенная содержит столько вещества и энергии, сколько хватит, чтобы она была плоской. Это сильное подтверждение общепринятой теории инфляционной Вселенной, которая описывает самые ранние моменты после Большого Взрыва.

    Проблема горизонта. Скрупулезные измерения реликтового излучения показывают температурную однородность до сотой доли процента для всех точек неба. Для этого в первые мгновения Большого Взрыва все области сейчас доступной наблюдениям Вселенной должны были успеть придти в термодинамическое равновесие. А это невозможно, поскольку горизонт событий (расстояние, которое может пройти свет) был столь мал, что видимые сейчас удаленные области не имели световой связи между собой. Поскольку темп расширения Вселенной намного ниже скорости света, то с течением времени свет доходит до наблюдателя с все более удаленных, ранее причинно не связанных областей. В любой момент времени, и сейчас, удаленные объекты, видимые нам с противоположных направлений, не видны друг другу, т.е. не связаны причинной связью.
        В эпоху Планка расстояние до горизонта событий составляло всего 10^-35 м, и в этих пределах содержалось всего 10^-8  кГ вещества. А в современную эпоху этот объем раздулся примерно до радиуса 10^-5 м. Наблюдаемая в настоящее время Вселенная в эпоху Планка была разделена на 10⁸⁰ причинно независимых областей, поэтому в современную эпоху Вселенная должна быть хаотична в масштабах  10^-5 м. Кроме того, современная температура фонового реликтового излучения требует, чтобы в эпоху Планка темп расширения сохранялся одинаковым независимо от направления, с точностью до 10⁴⁰. Это еще один из примеров "космического заговора".
      Проблемы горизонта, плоскостности, начальной сингулярности и ряд других решаются в приобретшей в последние десятилетия теории инфляции, которой посвящена последующая лекция.
      Большая часть вещества во Вселенной находится в виде темной материи. Изучение движения галактик приводит к выводу, что обычное вещество составляет лишь малую толику всего вещества во Вселенной. В частности, видимой материи оказывается недостаточно для того, чтобы удерживать галактики гравитационно-связанными. Одними из кандидатов для темной материи являются гипотетические суперсимметричные партнеры обычных частиц, в частности нейтралино, являющееся фермионным суперпартнером электрически нейтральных калибровочных бозонов и хиггсовских скаляров. Нейтралино должны иметь большую массу, но при этом очень слабо взаимодействовать с другими частицами и не излучать свет. Изучение движений скоплений галактик говорит о том, что полная плотность вещества составляет около 30% от критической. Плотность энергии темной материи составляет 25%, плотность видимой материи - всего 5%, плотность энергии вакуума - 70%. Поэтому наша плоская Вселенная должна расширяться вечно.

    Почему три? В конце 1080-х Роберт Брандербергер и Курмун Вафа показали, что изначально все пространственные измерения были свернуты до планковской длины, температура была высокой, но не бесконечной. Далее происходит понижение симметрии, при котором три измерения отбираются для последующего расширения. Дело в том, что намотанные струны могут сдерживать расширение измерений подобно резиновым лентам. Если же такая струна встречает своего оппонента с противоположенной намоткой, то они аннигилируют с образованием ненамотанной струны, Если такой процесс будет достаточно активным, то образуется достаточно много "ненамотанной резины" и измерения могут расширяться. Подобная аннигиляция наиболее эффективна в случае трех пространственных измерений, поскольку, как показывают расчеты, в этом случае любые две намотанных струны скорее всего столкнутся. Случайная температурная флюктуация приводит к тому, что три из десяти измерений станут больше других и вероятность столкновения намотанных струн вокруг этих измерений резко увеличивается. И если вначале хаоса и высоких температур свернутые пространства Колаби-Яу участвуют в безумном карнавале своих топологических модификаций, то по мере охлаждения Вселенной они постепенно упаковываются в конкретное многообразие, ответственное за физические свойства наблюдаемого мира. Примечание: Вы спросите: а почему затем не аннигилировали струны в других тройках измерений? Можно предположить, что в результате развертывания первых трех измерений время настолько изменило свой ритм, что последующие аннигиляции отодвинулись в бесконечное будущее.

    Антропный принцип. Почему же из всех возможных начальных состояний и из всех многообразий Колаби-Яу было выбрано одно наблюдаемое? Ответом на этот вопрос является антропный принцип: наша Вселенная такова (не зависимо от существования или несуществования других вселенных), поскольку именно ее уникальные условия обеспечивают появление ее наблюдателей и создателей теории суперструн. Во множестве других вселенных не могут возникнуть их наблюдатели. Иными словами мы живем в четырехмерной области вселенной с нашими физическими законами не потому, что области другой размерности или с другими законами невозможны или маловероятны, а просто потому, что жизнь типа нашей в них невозможна.

      Большой Разрыв. Ранее считали, что Большой Взрыв может закончиться либо Большим Треском (в случае сжатия), либо Большим Морозом (в случае монотонного расширения). Согласно последним научным работам существует поле (фантомной, темной) энергии вакуума, сила отталкивания которого (т.н. космологическая постоянная) возрастает с расстоянием и со временем. Недавние наблюдения далеких сверхновых и флуктуаций реликтового излучения с помощью наземных и баллонных экспериментов, а в особенности последние данные эксперимента WMAP показали, что наша Вселенная расширяется ускоренно, и это ускоренное расширение 6 миллиардов лет назад сменило фазу замедляющегося расширения. В этом случае размеры Вселенной возрастают быстрее, чем наблюдаемый горизонт событий. Поэтому концом жизни Вселенной возможно будет Большой Разрыв. Из видимой области постепенно будут исчезать объекты, расположенные вблизи горизонта. Через 22 миллиарда лет количество темной энергии возрастет настолько, что наша Галактика не сможет уже существовать как единое целое. За месяц до конца Земля будет оторвана от Солнца, за полчаса до конца земной шар разлетится на куски. Молекулы, а затем и атомы будут разорваны за 10^-19 секунд до конца, затем распадутся ядра и нуклоны.