«Початок світу» з точки зору науки

Найбільш серйозні спроби зрозуміти явища, що розігрувались в «початок світу», базуються на досягненнях фізики елементарних частинок. За допомогою приладів вчені проникли в глибини речовини до відстаней, які приблизно в сто тисяч разів менше атома. Розглянути менші відстані теж можна, але вже чисто теоретично (що в даному випадку справи принципово не змінює). Таким чином, вченим вдається дістатися до відстаней, які, принаймні, можна порівняти з розмірами субмікроскіпичної області, де стався «первинний вибух» (якщо вимірювати в сантиметрах, вийде десятковий дріб з більш ніж тридцятьма нулями після коми!).

Хоча теорія елементарних частинок, яка описує явища в настільки малих областях простору, ще недостатньо досконала, вдалося вже отримати дуже важливі результати. Виявляється, на надзвичайно малих відстанях в мікросвіті до наших чотирьох вимірів дійсно додаються нові – ще шість чи сім. Простір – час стає 10- або 11-мірним. Фізичний зміст цього явища поки неясний: чи це якийсь особливий «багатовимірний» час , чи то нові просторові координати, чи то щось зовсім інше… Відомо лише, що на кожному з додаткових напрямків світ дуже викривлений. Він схожий на маленьке замкнуте кільце. Іншими словами, ці напрямки в мікросвіті як би замикаються, тому-то ми їх і не бачимо.

Таку складну просторово-тимчасову структуру мав наш Всесвіт, ледь з’явившись на світ. Він жив тоді за законами, які фізики тільки-тільки починають осягати. Тут може бути відкрито ще багато несподіваного і дивовижного. Але дещо прояснюється вже зараз. «Ніщо», з якого народився Всесвіт, було тотожне фізичному вакууму. Вакуум цей тільки здається абсолютною порожнечею, насправді ж, як показує теорія, та й досліди з елементарними частинками, це дуже складне переплетення «сплесків» полів, що утворюються і тут же зникають – електромагнітного, гравітаційного та інших. Іншими словами, це середовище, у відомому сенсі володіюче енергією. Стан щойно народженого Всесвіту, який формально був майже порожнечею, оскільки основна частина його маси була ще укладена у вакуумі, можна порівняти з тим, що буває високо в горах перед грозою: напружена, густа, потріскуюча сполохами розрядів порожнеча, яка ось-ось перетвориться на заповнюючий весь простір потоп.

Такий стан тривав близько 10-36 секунди (десятковий дріб з 35 нулями після коми). Зникаючи мала мить! Але якщо порівняти її з ще меншим – 10-43 секунди, протягом якого відбувалося те, що прийнято називати власне народженням Всесвіту, – ця мить буде так само довга, як п’ятиріччя в порівнянні з секундою. Всесвіт швидко розширювався, що заповнювало його «фізичний вакуум» (не плутати з повсякденним значенням цього слова!) Ніби розтягувався, не змінюючи ще своїх властивостей; в результаті світ перейшов у вкрай нестійкий, енергетично напружений стан, схожий на стан перенасиченого розчину, коли нікчемної неоднорідності досить, щоб викликати лавинообразну кристалізацію. І ось через 10-35 секунди після народження Всесвіту почалась інтенсивна перебудова вакууму: за рахунок різниці енергій його початкового і кінцевого станів стала виділятись речовина.

Вона народжувалась якби з порожнечі. Але була не порожнеча, а «безодня можливостей». І як це завжди буває в процесах, подібних з кристалізацією, виділилося дуже багато тепла. Майже миттєво, за 10-32 секунди, простір роздувся у величезну розпечену кулю з радіусом на багато порядків більше розмірів видимої нами частини Всесвіту. До такого висновку приводять строгі формули сучасної теорії, висхідної і до теорії відносності, і до заснованої на ній теорії розширення Всесвіту. Розрахунки, зроблені Фрідманом, говорили про рівномірне розширення світу, а нові, більш точні обчислення вказують на фазу майже миттєвого його роздування у фантастично величезну кулю. Нову теорію, створену в останні роки, часто називають теорією Всесвіту, що роздувається.

Перебудова вакууму і процес «кристалізації» речовини Всесвіту в різних його ділянках відбувалися, швидше за все, неоднаково. З цієї причини у величезному обсязі світу, що роздувається могли утворитися великі області з різним вакуумом, отже, зі своєю швидкістю світла, своєю величиною заряду електрона і взагалі всіма фундаментальними константами, визначальними фізичні властивості світу. А це означає, що в процесі роздування правсесвіт розщепився на безліч окремих, що розрізняються за своїми властивостями всесвітів. Наш – один з них.

Кожний з всесвітів розширювався вже по фрідманівському сценарію. На початку, коли наш Всесвіт (як і всі інші) був ще дуже гарячий, в ньому народжувалися важкі елементарні частинки, на які йде багато маси і енергії. Вони розпадалися і тут же відтворювалися заново, але швидкість відновлення поступово знижувалася, і Всесвіт збагачувався поколіннями все більш легких частинок. Згідно з розрахунками, протони і нейтрони – «цеглинки », з яких складені атомні ядра, – утворилися приблизно через тисячну частку секунди від «початку світу» або трохи раніше. Через кілька хвилин вони «злиплися» в ядра. Вся подальша еволюція Всесвіту – утворення хімічних елементів, туманностей, зірок, галактик і так далі – не що інше, як повільне згасання, довгий «хвіст» первинних процесів.

Ще раз підкреслимо: викладена історія Всесвіту, якою б дивною вона не здавалася, – суворе слідство теорії. Тривалість того чи іншого етапу, його характер – все це описується точними математичними формулами. Правда, кількісні висновки теорії, особливо для явищ, що передували швидкому роздуванню, не настільки ще певні. Вони залежать від конкретного варіанту теорії. І це зрозуміло. Адже про ті давні часи у нас немає ніяких підтверджених спостереженнями даних, з якими можна було б порівняти результати розрахунків. Вони згоріли в пеклі світу, що роздувався.

Дані ці з’являться, очевидно, коли фізики навчаться вловлювати хвилі полів тяжіння. Подібно до того, як реліктове випромінювання говорить нам про властивості гарячого світу, що розщеплювався, реліктові гравітаційні хвилі, на які не впливають високі температури, розкажуть про найперші миттєвості життя Всесвіту. Вловити ці хвилі і розшифрувати вдасться, коли будуть створені особливо точні прилади. А до тих пір перевірка теоретичних висновків про процеси поблизу порогу «народження світу» може ґрунтуватися лише на непрямих даних. Наприклад, на вивченні передбачених теорією властивостей елементарних частинок і реакцій між ними.

Такі дослідження ведуться на прискорювачах і у фізиці космічних променів. А властивості частинок описує та ж сама теорія, яку використовують для пояснення процесів всередині щойно народженого Всесвіту. Матерія в ньому знаходилася в такому ж високоенергетичному стані, як і частинки в момент свого зіткнення. Успіхи фізики частинок вселяють сьогодні впевненість у правильності космологічних побудов вчених. Знаменний факт! Вперше в історії науки перекинутий міст між двома, здавалося б, протилежними полюсами наших знань – космологією, що вивчає світ в цілому з його фантастичними відстанями, і квантовою фізикою, що досліджує явища в ультра малому. Виявилося, що по суті це два аспекти однієї і тієї ж науки. У природі все взаємопов’язане: вивчаючи властивості мікрочастинок, фізики уточнюють своє уявлення про фази еволюції Всесвіту; космологічні ж дані використовуються для вибору між різними варіантами теорії елементарних частинок.

Сучасна теорія дозволяє заглянути не тільки в далеке минуле, до «початку світу», а й передбачити подальшу долю Всесвіту. Розрахунки показують: розвиток нашого світу може слідувати одному з двох «сценаріїв». Якщо маса Всесвіту недостатньо велика, то, безперервно розширюючись, світ буде збільшувати свої розміри безмежно. В іншому випадку настане час, коли сили гравітаційного тяжіння зупинять розширення і почнеться зворотний цикл – стиснення світу «в точку». Що піде за цим – повторне «народження» і розширення Всесвіту або яка-небудь інша фаза його розвитку, – поки неясно. Для відповіді на це питання (а відповідь, мабуть, можлива) потрібна досконаліша теорія вакууму і явищ на ультра малих відстанях.

Якщо гравітаційні сили не зупинять розширення, то протони і нейтрони почнуть поступово розпадатися на більш легкі частинки. Для повного розпаду речовини Всесвіту потрібний величезний, важко уявний час: 10100 років – одиниця зі ста нулями! По закінченні такого фантастично великого часу Всесвіт перетвориться на надзвичайно розріджений газ, що складається з найлегших частинок – електронів, позитронів, нейтрино і фотонів, яким розпадатися буде вже не на що.

А що далі? Чи буде цей газ розширюватися в усі сторони до нескінченності, або настане якась нова фаза розвитку світу – сказати важко. Може бути, якісь невідомі нам фізичні явища і порушать безрадісний процес розширення майже порожнього простору… Невідомо, втім , по якому з двох шляхів піде розвиток Всесвіту. З життєвої точки зору різниця між ними не така вже й велика: якщо стиск і почнеться, то все одно не скоро – не раніше, ніж через 1040-1050 років. Уявити це набагато важче, ніж ті 10 або 20 мільярдів років, які Всесвіт вже прожив…

Автор: В. Барашенков.