Происхождение и эволюция Вселенной

Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир. Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией.

Все современные космологические модели базируются на космологическом уравнении Эйнштейна, которое описывает пространственно-временную геометрию Вселенной. При выводе этого уравнения Эйнштейн ввел следующие космологические постулаты (предположения):

1) постулат однородности Вселенной – означает равномерность распределения вещества (одинаковость плотность материи);

2) постулат изотропности Вселенной – означает, что физические свойства пространства одинаковы по всем направлениям;

3) постулат стационарности Вселенной – предполагает неизменность во времени массы, плотности и объема Вселенной.

Такой взгляд на Вселенную был характерен для начала 20 века. Однако впоследствии выяснилось, что один из постулатов Эйнштейна – постулат стационарности – был ошибочен.

В 1922 г.русский математик и геофизик А. А. Фридман от­бросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решение уравнений Эйнштейна, описы­вающее Вселенную с расширяющимся пространством. Решение уравнений А. А. Фридмана допускает три возмож­ности. Если средняя плотность вещества и излучения во Все­ленной равна некоторой критической величине, мировое про­странство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Если плотность меньше критической, пространство обладает геомет­рией Лобачевского и также неограниченно расширяется. И на­конец, если плотность больше критической, пространство Все­ленной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния. Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной неиз­вестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этих пространств Вселенной мы живем.

В 1929 г. произошло экспериментальное подтверждение факта нестационарности Вселенной: американский астроном Э. Хаббл обнаружил смещение спектральных линий в спектрах всех наблюдаемых галактик (красное смещение); в силу эффекта Доплера это свидетельствует об удалении всех галактик от нашей галактики (явление «разбегания галактик»). Эффект Доплера состоит в том, что частота излучения, измеряемая наблюдателем, зависит от скорости источника излучения волн. Если источник приближается, то его спектр смещается для наблюдателя в сторону коротких волн («фиолетовое смещение»), если удаляется – в сторону длинных волн («красное смещение»).

В основе современных представлений об эволюции Вселенной лежит модель горячей Вселенной, или Большого взрыва, основы которой были заложены в трудах американского физика русского происхож­дения Дж. Гамова и его сотрудников в конце 40-х гг. XX в. В соответ­ствии с этой концепцией Вселенная на ранних стадиях расширения характеризовалась не только высокой плотностью вещества, но и его высокой температурой.

В простейшем варианте теории горячей Вселенной предполагается, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния с очень большой плотностью и энергией (состояние сингулярности). В состоянии сингулярности Вселенная представляла частицу с плотностью 10⁹³ г/см³ и температурой 10²⁷ К.

Модель горячей Вселенной получила экспериментальное под­тверждение после открытия в 1965 г. реликтового излучения — микроволнового фонового излучения с температурой около 3 К. Оно не генерируется современными космическими телами, а отражает прошлое состояние Вселенной. Распространяясь повсеместно с одинаковой интенсивностью, реликтовое излучение доказывает, что расширение Вселенной происходит одинаково во все стороны.

Важнейшая научная проблема связана с причинами Большого Взры­ва, сложившимися в первые мгновения Вселенной. Они моделируют­ся так называемой гипотезой инфляционной Вселенной. В основе этой гипотезы — представление о существовании компенсирующей гравитационное притяжение силы космического отталкивания неве­роятной величины, которая смогла разорвать некое начальное состо­яние материи и вызвать ее расширение, продолжающееся по сей день. В этой модели начальное состояние Вселенной является ваку­умным.

Физический вакуум — это наинизшее энергетическое состояние всех полей, форма материи, лишенная вещества и излучения, но характеризующаяся активностью, возникновением и уничтожением виртуальных частиц. Возбужденное состояние такого вакуума называют «лож­ным вакуумом», который способен создать гигантскую силу космичес­кого отталкивания. Эта сила и вызвала безудержное и стремительное раздувание зародышей одной или несколь­ких вселенных, в которых концентрированы колоссальные запасы энергии. Скорость раздувания значительно превосхо­дила световую. Данный тип раздувания был назван инфляцией.

В конце фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Но по окончании фазы огромные запасы энергии, сосредоточенные в исходном физическом вакууме, высвободились в виде излучения, ко­торое мгновенно нагрело Вселенную. С этого момента начинается эволюция горячей Вселенной. Благодаря энергии возникли вещество и антиве­щество. По мере остывания Вселенной антивещество аннигилировало с веществом и при этом почти все вещество исчеза­ло. Поскольку имелся избыток вещества над анти­веществом в одну частицу на миллиард, наш мир построен в основном из вещества. Если бы этого остатка не было, то мир был бы практически пустым, т.е. заполнен только полем, но не веществом.