Черные дыры и Вселенная
Шрифт:
Следующим важным обстоятельством является отсутствие симметрии между частицами и античастицами. Это означает, что темпы реакций с частицами и соответствующих реакций с античастицами, вообще говоря, несколько различны.
Теперь мы можем объяснить возникновение в ходе расширения горячей Вселенной одной «лишней» частицы на миллиард пар частиц-античастиц.
При температурах выше 10 27Кельвинов во Вселенной была сверхгорячая смесь всех фундаментальных частиц и точно такого же количества их античастиц, находящихся в термодинамическом равновесии. Никакого избытка «лишних» частиц не было. Если бы не было различия между свойствами частиц, и античастиц и не было реакций с несохранением барионного числа, то при расширении Вселенной и падении температуры все пары тяжелых частиц и их античастиц проаннигилировали бы (ведь их одинаковое число!) и во Вселенной не осталось бы к нашему времени ни нейтронов, ни протонов — все превратилось бы в легкие
Но в действительности происходит следующее. Когда температура падает ниже 10 27Кельвинов, темп всех процессов с Х-бозонами и их античастицами анти-Х оказывается медленнее, чем темп расширения Вселенной. Эти частицы не успевают аннигилировать или распадаться, и их концентрация оказывается «замороженной». Только позже, когда пройдет достаточно времени, они будут распадаться. Этот процесс и является теперь ключевым для дальнейшего.
Х-бозон, как и его античастица анти-Х, могут распадаться с нарушением барионного заряда, причем Х-частица и Х-античастица распадаются не совсем одинаково. В результате, как показывает расчет, и возникает маленький избыток частиц над античастицами. Расчеты эти еще не очень точны, но они показывают, что число возникающих лишних частиц, вероятно, близко к одной на миллиард пар частиц-античастиц. Частицы и античастицы проаннигилируют в ходе расширения Вселенной, превратясь в конце концов в фотоны, которые вместе с имевшимися там фотонами и составят реликтовое излучение (напомним, что во Вселенной остаются также нейтрино), а избыток барионов останется. Вот он-то и является обычным веществом сегодняшней Вселенной. Ясно, что число фотонов по сравнению с «лишними» частицами будет приблизительно в миллиард раз больше.
Так решается первая проблема.
Обратимся теперь к трем другим. Согласно теории «великого объединения», во Вселенной при температуре порядка 10 27кельвинов и больше было поле (его называют скалярным полем), которое обладало свойствами вакуума, рассмотренными нами в разделе «Гравитация пустоты». В частности, у этого ноля было огромное «отрицательное давление» — натяжение, равное плотности энергии самого ноля. Такое поле получило название «ложного вакуума». Отличие его от истинного вакуума, помимо всего прочего, в том, что соответствующая плотность «ложного вакуума» фантастически огромна — около 10 74г/см3. Мы знаем, что плотности вакуума соответствует космологическая постоянная в уравнениях тяготения Эйнштейна. В ту эпоху такая постоянная (ее можно назвать вслед за «ложным вакуумом» — «ложной постоянной») также была огромна.
В начале расширения, при временах меньше 10 – 34секунды, Температура во Вселенной была выше 10 27келъвинов. Плотность «ложного вакуума» была 10 74г/см3, но плотность горячих реальных частиц и античастиц обычной материи была еще выше. Поэтому тогда никак не проявлялись гравитационные свойства «ложного вакуума» и расширение Вселенной проходило по обычным законам. В ходе расширения плотность обычной материи уменьшалась и при 10 – 34секунды после начала расширения сравнялась с плотностью «ложного вакуума». Мы уже видели в разделе «Гравитация пустоты», насколько необычны гравитационные проявления вакуума. Его гравитация вместо притяжения вызывает отталкивание. Так случилось и в «эпоху» 10 – 34секунды. Гравитационное отталкивание вакуума заставляет мир расширяться ускоренно. Плотность «ложного вакуума» постоянна, она не уменьшается со временем, поэтому ускорение расширения тоже постоянно. Скорость расширения (скорость удаления друг от друга двух произвольных элементов среды) непрерывно нарастает вместо затухания с течением времени, как это имеет место без гравитации вакуума под действием тяготения обычной материи), и очень быстро все размеры во Вселенной невероятно растягиваются и становятся огромными. Эта стадия ускоренного расширения получила название «раздувающейся» Вселенной. За период с 10 – 34секунды по 10 – 32секунды с начала расширения все размеры во Вселенной увеличились в 10 50paз?
Но состояние «раздувающейся» Вселенной неустойчиво. Температура и плотность обычной материи стремительно уменьшаются при таком расширении. Вселенная становится переохлажденной. Плотность обычной материи становится совершенно пренебрежимой по сравнению с плотностью «ложного вакуума». В это время становится возможным фазовый переход из состояния «ложного вакуума» с огромной плотностью, в конце концов, в состояние, когда вся плотность массы (и соответствующая плотность энергии) «ложного вакуума» переходит в плотность массы обычной горячей материи, а плотность истинного вакуума равна нулю или очень мала. Это означает, это из энергии, заключенной прежде в «ложном вакууме», возникает огромное количество частиц и античастиц обычной материи, обладающих
Деталей этого перехода мы здесь касаться не будем. Отметим только, что разогрев Вселенной происходит спустя, вероятно, 10 – 32секунды после начала расширения. За короткое время, с 10 – 34секунды по 10 – 32секунды, Вселенная невероятно ускоренно «раздувается» из-за гравитационного отталкивания «ложного вакуума». Так, если без стадии «раздувающейся» Вселенной эти расстояния до Вселенной увеличились бы всего в 10 раз, то при наличии такой стадии продолжительностью с 10 – 34секунды по 10 – 32секунды мир за то же время расширится в 1050 раз! После этого начинается расширение согласно законам теории горячей Вселенной, с которой мы уже знакомы.
Процессы синтеза гелия и другие процессы, описанные нами, протекают много времени спустя после стадии «раздувающейся» Вселенной (сравните: 1 секунда — 300 секунд для синтеза гелия и 10 – 34—10 – 32секунды для стадии «раздувающейся» Вселенной!) так, как описано в соответствующих разделах.
Стадия «раздувающейся» Вселенной сразу решает вторую проблему из перечисленных в начале этого раздела — проблему горизонта. Действительно, возьмем точки, которые вначале, до стадии «раздувания», лежат очень близко друг к другу внутри общего горизонта видимости для того момента. Между ними возможен обмен сигналами, выравнивание температуры и другие процессы. Затем, в результате стремительного растяжения в ходе «раздувания» точки оказываются разнесенными на гигантские расстояния. В нашу эпоху они лежат на огромных расстояниях, заметно превышающих расстояния до горизонта, если не учитывать стадии «раздувающейся» Вселенной. Поэтому после «раздувания» эти точки действительно не смогут обменяться сигналами, но до «раздувания» это было возможно. Переход плотности «ложного вакуума» в плотность обычной материи в конце стадии «раздувающейся» Вселенной решает третью проблему. «Антигравитация» «ложного вакуума» заставляет возникающую из него обычную материю расширяться точно со «сбалансированной» скоростью. Можно сказать, что плотность вакуума в точности соответствует критической плотности для той эпохи и после фазового перехода плотность материи, естественно, тоже будет равна критической с огромной точностью.
Обратимся теперь к четвертой проблеме — к проблеме возникновения небольших первичных флуктуации плотности, которые должны были существовать в среде сразу после окончания стадии «раздувающейся» Вселенной. Такие неоднородности должны возникнуть в результате рассматриваемых процессов уже в силу квантовой природы материи. Действительно, распад «ложного вакуума» в обычную материю можно сравнить с процессом квантового распада радиоактивного вещества. В таких процессах всегда возникают небольшие неоднородности. Так, при радиоактивном распаде вещества одни его части распадаются чуть раньше, другие чуть позже. Подобно этому квантовый распад «ложного вакуума» в одних местах произошел чуть раньше, в других чуть позже, и это привело к тому, что переход к расширению при действии тяготения образовавшейся горячей материи происходил в разных местах в несколько различные моменты времени, что и повлекло за собой возникновение небольших неоднородностей плотности. Это есть не что иное, как первичные звуковые колебания, которые потом, после длительной эволюции, и привели к возникновению галактик.
Так, теория «раздувающейся» Вселенной объясняет основные особенности окружающего нас мира.
Но эта теория дает целый ряд других интереснейших предсказаний.
Мы уже говорили, что исчезновение состояния «ложного» вакуума можно сравнить с фазовым переходом. Явление фазового перехода нам знакомо, например, по процессу отвердения жидкости, превращения ее в твердое, кристаллическое состояние. При кристаллизации жидкости возможно возникновение в разных местах кристалликов с разной ориентацией осей кристаллической решетки. В результате в затвердевшей жидкости возни кают разные области — домены, соприкасающиеся друг с другом.
Согласно новейшим результатам анализа процессов в ранней Вселенной, в ходе фазового перехода в «раздувающейся» Вселенной возникают тоже соприкасающиеся домены с разными свойствами. На границах доменов возникают всякие экзотические частицы и образования. Например, там могут появляться так называемые магнитные монополи. Это частицы, несущие изолированный магнитный заряд, подобно тому, как электроны или протоны несут изолированный электрический заряд. Только магнитный монополь должен быть сверхтяжелым, в 10 16— 10 17раз тяжелее протона! Такие частицы не могут создаваться в современной Вселенной, для их образования не хватает энергии. Магнитные монополи экспериментально пока не открыты. Но на границах доменов в «раздувающейся» Вселенной их должно быть много. Давайте проследим, что будет с возникшим доменом в ходе дальнейшей эволюции Вселенной.