Исходя из этого факта, логично предположить, что в далеком прошлом "разбегающиеся" галактики располагались намного ближе друг к другу, чем сейчас. Прослеживая их расположение все дальше в прошлое, мы неизбежно достигнем того момента, когда все объекты Вселенной были сосредоточены в одной области весьма малых размеров. По последним оценкам астрономов, он отстоит от нас на 10-12 миллиардов лет.
Может ли современная наука ответить на вопрос о том, какие процессы происходили в момент "начала" и было ли что-нибудь до этого, тогда, когда еще "ничего не было"? Как и все теории, современная теория гравитации и физика элементарных частиц имеют границы применимости. Они могут описывать поведение материи при плотности вещества, не превышающей так называемую "планковскую" плотность (порядка 1097 кг/м3). Это значение намного больше плотности любого из известных нам объектов, в том числе и плотности атомного ядра. При увеличении плотности вещества до столь больших величин все типы взаимодействия, в том числе и гравитационное, сливаются в одно, и квантовые свойства материи становятся неразрывно связанными с гравитационными. Описать законы поведения вещества при еще больших плотностях пока не представляется возможным. Однако мы все-таки можем, хотя бы чисто теоретически, проследить историю мира до планковской плотности.
Согласно наиболее распространенной в настоящее время гипотезе, наша Вселенная родилась в виде очень горячей (порядка 1032 градусов) области с планковской плотностью и мизерными размерами (около 10-6 м). Как это не покажется странным, но в этот момент в ней вообще не было вещества — она была заполнена только вакуумом — наинизшим энергетическим состоянием физических полей. Однако сам вакуум может обладать ненулевой энергией. По предположению космологов, ранняя Вселенная была заполнена именно таким вакуумом, "законсервировавшим" в себе до поры до времени огромную потенциальную энергию.
Свойства подобной Вселенной совершенно не похожи на современные. Понятия пространства и времени в ней изменяются и становятся непривычными.
Вследствие так называемых квантовых флуктуаций длины всех окружающих нас предметов непрерывно изменяются случайным образом — флуктуируют. Изменения эти сейчас столь незначительны (порядка 10-35 м), что недоступны измерениям приборами.
В ранней Вселенной, размер которой также исключительно мал, квантовые флуктуации играли столь существенную роль, что невозможно было в принципе измерить расстояния между двумя точками пространства. Столь же трудно было ввести понятие времени. Ведь время, определяемое обычно как параметр, задающий направление и длительность физических процессов, в такой Вселенной могло изменять свой знак, становиться отрицательным или даже мнимым. В данной ситуации невозможно ввести даже понятия причины и следствия. Подобное состояние материи космологи окрестили "пространственно-временной пеной".
Как предположил в 1917 году голландский астроном Виллем де Ситтер, при указанных выше условиях вакуум может приобретать антигравитационные свойства. При этом соседние точки пространства отталкиваются друг от друга с силой, увеличивающейся с ростом расстояния между ними, что приводит к стремительному (экспоненциальному) разлету вещества, то есть чрезвычайно быстрому и мощному взрыву. Это означает, что наша Вселенная из состояния пространственно-временной пены могла перейти в состояние чрезвычайно быстрого расширения.
Весь процесс экспоненциального или, как говорят астрономы, "инфляционного" увеличения размеров Вселенной занимает микроскопическое время. Начавшись на 10-43-й доле секунды от рождения мира, экспоненциальное раздувание заканчивается примерно на 10-37-й доле секунды, переходя к более медленному, степенному расширению. Однако за это время, по сравнению с которым даже вспышка молнии длится вечность, размер раздувшейся области увеличивается неимоверно — в 1010 000 000 раз! Это был самый грандиозный взрыв в природе.
Точки пространства при экспоненциальном раздувании разбегаются в разные стороны со сверхсветовыми скоростями, вследствие чего во Вселенной появляются области, которые в принципе не могут обмениваться информацией. Поэтому мы, скорее всего, никогда не узнаем, что происходит за пределами огромной расширяющейся области, в которой наша "привычная" Вселенная, заполненная звездами и галактиками, — лишь маленькая точка.
В результате расширения плотность энергии вакуума падает. В это время предполагаемые свойства данной физической системы таковы, что в некоторый момент ей становится энергетически выгодно перейти в другое состояние, в котором плотность энергии близка к нулю. Согласно закону сохранения, потерянная вакуумом энергия идет на "раскачку" пространства гравитационными волнами, образование вещества в виде элементарных частиц и на разогрев новорожденной среды. Так в пустой до этого Вселенной появляется горячее вещество — материя.
Предполагается, что в тот момент три вида взаимодействия (сильное и слабое ядерные, а также электромагнитное) из четырех, известных сейчас, не различались между собой. Их переносчиками (аналогично тому, как фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия) были очень тяжелые элементарные частицы . По мере остывания Вселенной эти частицы распадались на протоны и нейтроны, а также антипротоны и антинейтроны. Однако на протоны и нейтроны они распадались немного "охотнее", в результате чего появился избыток вещества над антивеществом. Этот избыток мы и видим сейчас как обычное вещество, окружающее нас.
Антивещества в нашем мире, по-видимому, нет. Оно полностью взаимоуничтожилосъ с равным количеством вещества — аннигилировало, превратившись в кванты электромагнитного излучения, ко торое остыло в ходе расширения Вселенной и дошло до нас в виде фонового электромагнитного или "реликтового" излучения (этим термином обозначается радиоизлучение, приходящее со всех точек неба и соответствующее источнику с температурой 3°К; оно было предсказано Дж. Гамовым в 1946 году и открыто А. Пензиасом и Р. Уилсоном в 1965 году).
Сейчас во Вселенной на один протон или нейтрон приходится около миллиарда квантов реликтового излучения. Это означает, что количество вещества в ранней Вселенной превышало количество антивещества всего на одну миллиардную долю! Из этого крохотного остатка и образовался наш привычный мир, который мы наблюдаем. Это еще одна иллюстрация того, что современная картина Вселенной — лишь слабый отголосок тех грандиозных процессов, которые происходили сразу после ее рождения.
Вселенная с веществом начинает вести себя совсем не так, как заполненная первичным вакуумом. Вещество обладает обычными гравитационными свойствами. Своим притяжением оно "сдерживает" бурное расширение пространства. При этом экспоненциальный рост размеров Вселенной меняется на более медленный, степенной, который мы и наблюдаем как явление "разбегания" галактик.
Таким образом, картина возникновения нашей Вселенной проясняется вплоть до стадии пространственно-временной пены. А нельзя ли узнать, предшествовало ли ей что-нибудь? Конечно, о более ранних моментах можно лишь гадать, помня, что современные теории не позволяют провести какие-либо наблюдения по их проверке. Существует, однако, несколько теоретических схем, подкупающих своей красотой.
Так, в 1986 году советский физик Андрей Линде (ныне — сотрудник Стэнфордского университета) предложил сценарий так называемой "хаотической инфляции". В ней учитываются случайные колебания (флуктуации) энергии вакуума на той ранней стадии эволюции, когда они еше велики и сравнимы с самой энергией вакуума. В результате этих колебаний энергия может либо возрасти, либо сильно уменьшиться. Флуктуации носят случайный характер, поэтому в одних областях Вселенной, составляющих примерно половину ее объема, энергия вакуума возрастает, а в другой половине — уменьшается.
Эти области ведут себя по-разному. Там, где энергия уменьшается почти до нуля, расширение "тормозится", и вклад таких областей в общий объем Вселенной невелик. Те же области, в которых энергия вакуума увеличилась, начинают чрезвычайно быстро расти. В результате эволюции каждой из "высокоэнергичных" областей в них появляются условия для возникновения вещества и Вселенных типа нашей. То есть Вселенная, в которой мы живем, может быть одной из бесчисленного множества подобных областей "большой Вселенной".
В модели, предложенной Линде, Вселенная воспроизводит сама себя, постоянно увеличивая число областей, которые могут и дальше расти, раздуваться (в качестве грубой аналогии можно привести пример с кипящей водой, в которой пузырьки воздуха — это непрерывно рождающиеся Вселенные, один из которых — наша Вселенная). Процесс этот бесконечен во времени. Возможно также, что он не имел и начала. Таким образом, от идеи "первотолчка", поиска начала, наука вновь может обратиться к идее бесконечной во времени, всегда существующей Вселенной. Но при этом размер ее огромен, гораздо больше размеров видимой нами области (расстояние до границы видимости, как известно, определяется произведением скорости света на возраст нашей Вселенной).
В принципе, и жизнь нашего типа может возникать в такой Вселенной бесконечное число раз. Заметим, что из сверхплотного состояния вакуума не обязательно должна возникнуть Вселенная именно с нашим типом пространства (три пространственных измерения и одно временное) и набором фундаментальных постоянных, присущих нашему миру (например, зарядами элементарных частиц, гравитационной постоянной и т.п.) Скорее всего, число измерений пространства и времени, а также значения фундаментальных постоянных в каждой области Вселенной могут быть и иными. Однако в большинстве таких миров в принципе не сможет возникнуть жизнь. Для этого необходимо, чтобы элементарные частицы, образующие вещество во Вселенной, по крайней мере, были стабильными, не распадались, чтобы могли возникнуть сложные структуры (галактики, звезды, планеты) и еще много других важных ограничений.
Если Вселенная будет непригодна для жизни, то и обнаружить себя в ней разумные существа не смогут. Утверждения такого рода (которые позволяют сделать дополнительные ограничения на физические параметры Вселенной) называются антропным принципом. В простейшей формулировке он гласит, что наш мир таков потому, что в мире, устроенном по-другому, жизнь и разум не смогли бы возникнуть и обнаружить себя же. В применении к сценарию, где наша Вселенная рассматривается как единственная, антропный принцип вызывает вопрос, каким образом произошла "подстройка" числа измерений пространства-времени и значения фундаментальных констант под нужные, допускающие возникновение жизни параметры? В рамках же сценария хаотической инфляции этот вопрос снимается, так как появляется возможность выбора пригодной для жизни Вселенной из их бесконечного набора.
Инфляционный сценарий рождения Вселенной является красивой физической теорией, позволяющей "отодвинуть" (временно?) вопрос о "начале Вселенной", "Большом взрыве" в пространственную и временную бесконечность. К сожалению, прямая экспериментальная проверка этой теории, по-видимому, невозможна в принципе.
Меняются представления человека о Вселенной, меняются и вопросы. На смену вопроса эпохи Великих географических открытий "ЧТО находится в окружающем нас мире?" пришел вопрос "КАК связаны между собой различные объекты и явления?". Теперь же все чаше человек задает себе вопрос "ПОЧЕМУ мир устроен так, а не иначе?".
Бизяев Дмитрий Васильевич — сотрудник Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга.