Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство

Радунская Ирина Львовна

Предельный характер скорости света приводит к заключению о том, что ни одно событие, лежащее за горизонтом, не может быть причиной или следствием события, происходящего в центре пространства, охваченного этим горизонтом. Вместе с тем конкретные математические расчеты, выполненные на основе стандартной космологической модели, приводят к парадоксальному результату. Расстояние между источниками реликтового излучения, находящимися в момент испускания этого излучения в противоположных направлениях на небесной сфере, в 90 раз превышало расстояние до существовавшего в тот момент горизонта.

Таким образом, причинная связь между этими источниками реликтового излучения отсутствовала, и трудно объяснить, каким образом эти источники пребывали в почти одинаковых условиях.

Физики называют

эту загадку проблемой горизонта. Эту проблему можно ликвидировать, введя в качестве начального условия высокую степень первоначальной однородности Вселенной и предположив, что такая однородность сохраняется на первых стадиях Большого взрыва. Но при этом остается необоснованным и непонятным, почему возникли такие жесткие начальные условия. Проблема оказывается не решенной, а лишь перенесенной от уравнений, описывающих течение процесса, к начальным условиям, устанавливающим, с чего началось развитие этого процесса.

В стандартном сценарии имеется еще одна трудность, связанная с предыдущей. Для объяснения существования современных галактик, скоплений галактик и их сверхскоплений, наблюдаемых астрономами, необходимо, чтобы наряду с начальной, очень высокой однородностью ранняя Вселенная содержала бы определенные малые начальные неоднородности, такие, вокруг которых в ходе эволюции концентрировались огромные массы вещества, образующие иерархию галактик. Эти начальные неоднородности не могут самопроизвольно возникнуть в случае, если принята гипотеза однородных начальных условий. Значит, начальные условия нужно усложнить, совместив в них наличие мелких неоднородностей на фоне общей однородности «в среднем». Однако такие начальные условия с трудом согласуются с современными данными о свойствах очень плотной горячей плазмы. Представляется необходимым объяснить, как подобные начальные условия приводят Вселенную к современному виду, в каком она предстает перед астрономами в наши дни.

Существенной трудностью стандартного сценария является проблема средней плотности материи во Вселенной. С ней мы уже встречались при обсуждении первоначальной теории Фридмана. Современные оценки на основе наблюдений астрономов показывают, что отклонение средней плотности материи от критического значения, принятого за единицу, лежит в пределах от 0,1 до 2. Но вычисления, проведенные на основе стандартного сценария, показывают: для того чтобы в процессе расширения средняя плотность материи попала внутрь этих границ, она должна через секунду после начала расширения равняться единице с погрешностью менее чем 10^{– 15}. Это, конечно, менее жесткое требование, чем погрешность 10^{– 65}, с которой мы встречались в более раннем периоде расширения. Но стандартный сценарий не способен объяснить причину, приведшую к тому, что средняя плотность материи, вплоть до первой секунды расширения, была равна своему критическому значению с такой большой точностью.

Не может считаться окончательно решенным вопрос о современном преобладании вещества над антивеществом. Стандартный сценарий объясняет его ссылкой на малую флуктуацию. На случайное отклонение от равенства числа ядерных частиц — барионов и числа антибарионов в начале аннигиляции. Такого отклонения, что на миллиард антибарионов приходилось ровно миллиард и еще один лишний барион. Общее количество барионов и антибарионов в то время было столь велико, что этого ничтожного преимущества достаточно, чтобы после аннигиляции всех пар барионов и антибарионов осталось ровно столько «избыточных» барионов, сколько их существует в современной Вселенной. А общее число барионов в видимой части Вселенной сейчас по оценкам составляет 10⁷⁸. Перенос этой проблемы на более раннюю стадию эволюции, когда барионы и антибарионы рождались из кварков и антикварков, не решает вопроса из-за трудности проведения точных вычислений процессов рождения и аннигиляции тяжелых барионов.

К этим проблемам в конце семидесятых годов прибавились новые, возникшие при подобном анализе конкретного применения теории Великого объединения к проблеме эволюции Вселенной. Несмотря на то что теория Великого объединения до сих пор не может считаться окончательно завершенной, она уже позволяет проводить анализ процессов микромира и получать много результатов, подтверждаемых точными опытами. Вместе с тем именно теория эволюции Вселенной оказалась лабораторией, способной отвергать различные варианты Великого объединения и поддерживать другие, несмотря на то что основная область применения теории Великого объединения не космос, а микромир.

Еще одна трудность возникает при попытках связать между собой проблему горизонта с тем переломным моментом в развитии Вселенной, который происходил при температуре порядка 10²⁸ К и привел к разрушению симметрии Великого объединения.

Наша современная Вселенная, точнее, ее видимая часть, ограниченная горизонтом, имеет размеры 10²⁸ см.

Наблюдения показывают, что во всем этом огромном пространстве справедливы одни и те же физические законы. Самые удаленные однотипные объекты, доступные крупнейшим телескопам и радиотелескопам, не различаются между собой. Невозможно отказаться от мысли о том, что они прошли общий путь развития, начиная с самых ранних этапов эволюции Вселенной. Но такая общность возможна, только если вся Вселенная первоначально находилась внутри единой области, ограниченной горизонтом событий.

Первый отсчет времени, соответствующий нарушению суперобъединения, соответствует, как мы знаем, 10^{– 35} с после начала Большого взрыва. В этот момент горизонт событий ограничивал область размером около 10^{— 25} см, то есть в 10¹² раз меньшей диаметра атомного ядра.

В исходной Вселенной должно было быть много таких затравочных областей. Выше уже говорилось, что они не могут быть причинно связанными между собой и поэтому развивались совершенно независимо.

Во время первого переломного момента, завершающего существование Великого объединения, несвязанные области — домены — должны были оказаться разделенными между собой границами, на которых возникает большая избыточная плотность материи. Более того, во всех вариантах теории Великого объединения, как установили в 1974 году Хоофт и Поляков, во время этого перехода при температуре 10²⁸ К должно было рождаться большое количество магнитных монополей.

Расчеты показали: и стенки доменов, и монополи чрезвычайно устойчивы. Количество их, возникшее на рубеже распада Великого объединения, столь велико, что их совокупная масса значительно превосходит остальную массу Вселенной, — это должно было ускорить ее эволюцию. Ускорить настолько, что охлаждение реликтового излучения до 3 К должно было бы совершиться не за 10¹⁰ лет, а всего за 3 10⁴ лет после начала расширения. Все предсказания теории Большого взрыва, подтвержденные опытом, показывают, что возникновение жизни за такой промежуток времени невозможно. Против стандартного сценария эволюции Вселенной свидетельствует и то, что ни одна из многочисленных попыток обнаружить существование монополей, не привела к успеху.

Все эти трудности и еще несколько менее существенных явно указывают, что применение теории Великого объединения к уточнению теории Большого взрыва нуждается в тщательном анализе.

Первые попытки

Первую, четко направленную попытку преодоления трудностей стандартного сценария сделал в 1979 году молодой советский ученый А. А. Старобинский. Его целью было понять: как избежать заложенного в решении Фридмана сакраментального момента начального расширения Вселенной из нулевого объема? Он исходил из того, что структура пространства Вселенной, расширяющейся в соответствии с решением Фридмана, даже при очень большой плотности энергии вполне удовлетворяет уравнениям Эйнштейна.