Шрифт:
Закладка:
Рис. 2.2.5. Изменение масштабного фактора в осцилирующей модели Вселенной: a) без увеличения энтропии: б) с увеличением энтропии
Привлекательной чертой пульсирующей модели является то, что она позволяет избежать проблемы Генезиса Вселенной. Однако некоторые космологи указывают, что это не так. Дело в том, что в каждом цикле Вселенной как в период расширения, так и в период сжатия происходит рост энтропии (которая в конечном итоге определяется числом фотонов, приходящихся на один нуклон). Если накопленная в данном цикле энтропия сохраняется при переходе через сингулярность, то в каждом следующем цикле энтропия будет выше, а следовательно, максимальный радиус кривизны (связанный с энтропией) и период пульсации будут больше, чем в предыдущем (рис.2.2.5). То есть будет происходить «раскачка» Вселенной. Необходимая для раскачки положительная энергия берется за счет отрицательной энергии гравитационного поля, а полная энергия, равная сумме положительной и отрицательной энергии, не меняется, т. е. закон сохранения энергии при переходе от цикла к циклу выполняется. Если бы пульсирующая Вселенная существовала бесконечно долго в прошлом, то за бесконечное число пульсаций должна была накопиться бесконечная энтропия. Но этого нет. Следовательно, с момента возникновения Мира прошло конечное число пульсаций, т. е. мы снова возвращаемся к проблеме Начала, только отодвигаем его во времени. Следует отметить, что эти рассуждения справедливы, если энтропия при прохождении через сингулярность сохраняется. Предположение — далеко не очевидное, если учесть, какие глубокие преобразования происходят в сингулярности.
Мы рассмотрели механическую картину эволюции Вселенной, не касаясь физики процессов. Теперь нам следует обратиться к физике.
2.2.2. Горячая Вселенная
Была Тьма: скрытое сперва во Тьме все это было бесформенным Хаосом. Все, что существовало тогда, было пустым и бесформенным. Великой силой тепла рождено было это Единое.
Ригведы «Песнь Творения»
На ранней стадии эволюции Вселенной, в первые минуты после начала расширения, плотность вещества была очень велика. При такой плотности должны были протекать ядерные реакции. Характер их существенным образом зависит от температуры. Была ли Вселенная в это время холодной или горячей?
Исторически первой еще в 1930-е годы была рассмотрена модель холодной Вселенной. Предполагалось, что все вещество существовало в виде холодных нейтронов. Однако, как выяснилось позднее, в такой Вселенной в результате цепочки ядерных реакций (с образованием протона, дейтерия и т. д.) все вещество, в конце концов, превратилось бы в гелий. Это противоречит наблюдениям, поскольку подавляющая часть вещества Вселенной состоит из водорода. Другой вариант теории холодной Вселенной был предложен Я. Б. Зельдовичем в начале 60-х годов. Он предполагал, что первоначально холодное вещество Вселенной состояло из смеси протонов, электронов и нейтрино. При расширении Вселенной такая смесь должна была превратиться в чисто водородную плазму. Что касается гелия и других химических элементов, то, согласно этой гипотезе, они синтезировались много позднее, после того, как образовались звезды. В отношении всех элементов, кроме гелия, это справедливо. Но обилие гелия (30 % от всего вещества Вселенной по массе) невозможно объяснить ядерными реакциями в звездах.
Модель горячей Вселенной была предложена российско-американским физиком Г. Гамовым в 1948 г. Гамов стремился объяснить происхождение всех химических элементов ядерными реакциями, которые протекали в горячем веществе ранней Вселенной при се расширении. Это была неверная посылка, ибо, как мы теперь знаем, элементы тяжелее гелия образуются в звездах. Однако сама идея о горячей Вселенной оказалась правильной.
Один из выводов, который вытекал из теории Гамова, состоял в том, что в настоящее время во Вселенной, помимо излучения звезд (и других источников), должно существовать электромагнитное излучение, образовавшееся в ту далекую эпоху, когда никаких звезд еще не было, а Вселенная представляла собой однородную горячую плазму. В этой плазме, состоящей, в основном, из электронов и протонов, все частицы, тесно взаимодействуя, находились в равновесии между собой и с излучением. При взаимодействии протонов и электронов образовывались нейтральные атомы, но они тут же разрушались под действием квантов электромагнитного излучения. Процессы ионизации уравновешивались рекомбинациями, и вся эта плазма вместе с излучением, участвуя в общем космологическом расширении Вселенной, постепенно охлаждалась. Когда температура ее упала до 4000 К, энергия квантов стала уже недостаточной, чтобы ионизовать вещество. Равновесие нарушилось, процессы рекомбинации стали преобладать над ионизацией — в результате рекомбинации образовалось нейтральное вещество. С этого момента Вселенная стала прозрачна для излучения. Излучение практически перестало взаимодействовать с веществом, оно как бы отделилось от него и стало эволюционировать независимо. Эволюция вещества привела к образованию того сложного, многообразного Мира, в котором мы живем. А излучение продолжало равномерно заполнять все пространство, только плотность его с расширением Вселенной уменьшалась, и температура тоже падала. В настоящее время температура этого реликтового излучения[137], согласно расчетам Гамова и его сотрудников, должна составлять несколько кельвинов. Если бы мы могли наблюдать это излучение, мы бы получили информацию о далекой, дозвездной стадии эволюции Вселенной, когда в результате рекомбинации образовалось нейтральное вещество.
Несмотря на столь фундаментальный вывод, вытекающий из теории Гамова, никто не пытался его проверить. Видимо, все эти теоретические построения представлялись экспериментаторам слишком отвлеченными, далекими от действительности. (Игра ума теоретиков! Разве можем мы знать, что происходило во Вселенной в такую отдаленную эпоху?!) Надо сказать, что сам Гамов не надеялся на обнаружение реликтового излучения, так как полагал, что оно полностью маскируется излучением звезд, возникших на более поздней стадии эволюции Вселенной. В 1964 г. советские астрофизики А. Г. Дорошкевич и И. Д. Новиков показали, что хотя общее количество энергии реликтового излучения сравнимо с излучением галактик, но в сантиметровом и миллиметровом диапазонах радиоволн оно значительно превышает излучение всех остальных радиоисточников и, следовательно, его можно обнаружить. Эта работа еще не была в полной мере осознана, когда в 1965 г. реликтовое излучение было открыто чисто случайно американскими физиками Р. Вилсоном и А. Пензиасом с помощью 7-метровой рупорной антенны, предназначенной для наблюдения искусственного спутника Земли «Эхо». Таким образом, теория горячей Вселенной получила экспериментальное подтверждение, а Пензиас и Вилсон за открытие реликтового излучения были удостоены Нобелевской премии.
Максимум энергии реликтового излучения приходится на длину волны около 1 мм,
