Метагалактика

Общая астрономия. Далекая Вселенная. Метагалактика, Часть 2

Чтобы подойти к решению проблем фридмановской космологии, нужно пояснить понятие физического вакуума. Физическим вакуумом называют состояние, в котором отсутствуют реальные частицы, а плотность потенциальной энергии V имеет минимум. Почему сделан акцент на прилагательное «реальные»? В соответствии с квантовой теорией поля помимо реальных (обычных, наблюдаемых) частиц существуют также и виртуальные частицы, время жизни t которых чрезвычайно мало. Время определяется квантовомеханическим соотношением неопределенности. Тем не менее, есть косвенные доказательства существования виртуальных частиц. Вычисления, основанные на гипотезе существования физического вакуума (точнее многократных взаимодействий реальных частиц с виртуальными), приводят к предсказаниям, подтвержденным на опыте с фантастической точностью. Так, отличие магнитного момента электрона от боровского магнетона (аномальный магнитный момент) обязано многократному взаимодействию электрона с виртуальными частицами. Аномальный магнитный момент электрона вычислен с точностью до одиннадцатого знака и прекрасно согласуется с экспериментальными данными. Этот факт, так же как и другие результаты, убедительно подтверждает реальность физического вакуума как нового физического состояния материи. О том, что это новое состояние, свидетельствует следующий факт. Важнейшей характеристикой физической системы является уравнение состояния е=f(Р), связывающее давление (Р) и плотность энергии (е). В обычных системах зависимость f(Р) — монотонно возрастающая функция. Обе величины е и Р существенно положительны. Этот вывод отражает хорошо известный факт: при увеличении числа частиц в единице объема возрастает их давление. Система, состоящая из частиц, как бы стремится вытолкнуть из занимаемого ею объема новые частицы.

Вакуум же характеризуется весьма нетривиальным уравнением состояния: е = -Р. Следовательно, одна из величин, например, давление Р, имеет отрицательное значение. Поэтому, в отличие от обычных форм вещества, частицы составляющие вакуум, стремятся «затащить» в свой объем другие частицы, увеличивая тем самым плотность энергии е. Вакуумное состояние, вообще говоря, неустойчиво. Если бы в вакууме не действовали внутренние силы, то он либо распался, либо «затащил» бы все реальные частицы так, что в мире не было бы иного состояния, кроме вакуумного. Однако сейчас полагают, что между составляющими вакуум частицами существует взаимодействие, которое характеризуется значительным потенциальным барьером. Наличие этого барьера препятствует распаду вакуума или превращению всех реальных частиц в виртуальные. Потенциальный барьер разделяет реальные и виртуальные миры. Однако необычное уравнение состояния препятствует полной стабилизации вакуума, частицы которого движутся в пространстве, ограниченном потенциальным барьером. Наглядно (но весьма упрощенно), проще всего представить вакуум в виде жидкости, кипящей в замкнутом сосуде.

Схема раздувания и фридмановского расширения Метагалактики. На рис. А изображены фазовые переходы в вакууме, приводящие к образованию метагалактики (t=0). В этот момент плотность энергии вакуума (e) резко уменьшается. Вследствие огромного различия в скоростях раздувания и расширения приведенный рисунок является лишь иллюстрацией.

В начале нашего десятилетия появилась модель раздувающейся Вселенной. В развитии новой теории, призванной устранить проблемы фридмановской космологии, активное участие приняли А. Гус (США), А. Д. Линде, А, А. Старобинский (СССР) и другие талантливые физики. Основная идея новой космологии строится на допущении, что начальные моменты расширения Вселенной осуществляются в вакууме. С первого взгляда, такая идея кажется абсурдной, поскольку она находится в противоречии с утверждением о стабильности вакуума. В действительности же, потенциальный барьер не является абсолютным препятствием для просачивания частиц. С точки зрения квантовой механики всегда существует конечная,— хотя как правило, очень малая — вероятность прохождения объекта через потенциальный барьер. Поэтому существуют две возможности. Согласно первой, наиболее вероятной, вследствие неустойчивости вакуума в нем непрерывно возникают возмущения, которые затухают на расстояниях r Поясним физический смысл r. Эта величина характеризует размеры возмущений в вакууме. Согласно общепринятой точке зрения, в вакууме, соответствующему объединению всех известных взаимодействий, расстояние должно определяться универсальными фундаментальными постоянными: G — ньютоновской постоянной тяготения; с — скоростью света и p — постоянной Планка. Из соображений размерности величина r=(Gp/c2)^1/2 ~ 10 ^-33 см расстояние r — называется обычно планковской длиной в честь М. Планка, который впервые ввел ее в физику на заре нашего столетия. Однако существует и вторая, чрезвычайно редкая возможность:возмущение проходит потенциальный барьер. И в этот момент (длящийся примерно 10^-35 с) происходит важнейшее (а для нашего очерка центральное) событие. Возмущение очень быстро (экспоненциально) развивается в вакууме. В отличие от формулы (1) в этом случае возмущение расширяется по закону: R ~ exp(bt) = e^bt (2) При достаточно большом значении константы b Вселенная, даже за очень короткий промежуток времени 10^-35с. увеличивается до гигантских размеров, превышающих намного порядков (по некоторым оценкам на миллион) размеры Метагалактики. Что же происходит далее с этим гигантским пузырем? Как уже отмечалось, всякое состояние в вакууме неустойчиво и через промежуток времени 10^-35 с, оно распадается на множество областей, порождающих свои метагалактики. В этот момент происходит и существенное изменение структуры вакуума. Если до возмущения плотность энергии е была чрезвычайно велика, то после распада она оказывается очень малой. Во время перехода вакуума из одного состояния в другое осуществляется также и трансформация режима раздувания (2) в фридмановский режим (1). Вселенная распадается на множество метагалактик. Совершенно не очевидно, что эти метагалактики должны быть тождественны друг другу. Более того, даже первичные «пузыри» — вселенные — также могут не быть тождественными. Просачивание через потенциальный барьер вследствие начальных флуктуации может осуществляться из разных точек. Поэтому характеристики стадии раздувания, а, следовательно, метагалактик могут быть существенно различными. Введение экспоненциальной стадии решает все проблемы фридмановской космологии. Экспоненциальное решение (2) не имеет сингулярности. Оно обращается в нуль лишь при значении tв равным бесконечности. При любом конечном значении tв оно также остается конечным. Этот вывод согласуется и с простой физической картиной, нарисованной выше. Раздувание начинается при планковской длине 10 ^-33 см. Аналогично решается и проблема горизонта.

Итак, в соответствии с современными воззрениями, естественно допустить, что Метагалактика возникла при распаде Вселенной в конце стадии раздувания одновременно с другими метагалактиками. Праматерией, из которой возникают вселенные, является вакуум. Можно допустить, что вакуум существует вечно в следующем смысле. Сейчас полностью отсутствуют теоретические или, тем более, экспериментальные основания домысливать, что было, когда не было ничего, в том числе и вакуума. По оценкам, следующим из соображений размерности плотность энергии вакуума чрезвычайно велика сравнительно с земными (или галактическими) масштабами. Эта вакуумная энергия затрачивается на расширение Вселенной, а затем Метагалактики. Она расходуется также на образование новых частиц. Естественно, что все эти процессы сопровождаются фазовыми переходами, происходящими в вакууме. Здесь нужно отметить, что до сих пор рассматривалось рождение Вселенной в результате квантово-механического прохождения возмущения через потенциальный барьер. Нельзя исключить, что в результате распада Вселенной образуются закрытые метагалактики, которые в конце своего существования, когда сжатие сменит расширение, попадут в вакуум, порождая новые метагалактики и вселенные.

Далее полезно сделать одно замечание. Сейчас довольно оживленно дебатируется схема возникновения Метагалактики или Вселенной из «ничего». Нам представляется подобная схема неудовлетворительной. Следует подчеркнуть, что в рамках такой схемы возникает вопрос: как она согласуется с законом сохранения энергии? Очевидно, что энергия «ничего» равна нулю. Обычно, сторонники этой теории отвечают, что в соответствии с теорией относительности, полная энергия закрытой Метагалактики равна нулю, поскольку кинетическая энергия, находящихся в ней частиц, точно компенсируется их энергией покоя, заключенной в массе. Но в любом случае вообразить, что образование таких объектов, как Вселенная или Метагалактика из «ничего» совсем не легко.

Симбиоз моделей раздувающейся и расширяющейся (фридмановской) Вселенной решает проблемы замкнутости современной космологии. Однако принципиально из-за существования горизонта, нельзя непосредственно наблюдать объекты, находящиеся вне Метагалактики. Однако существует сравнительно много косвенных подтверждений следствий модели раздувающейся Вселенной, Остановимся на двух, на наш взгляд, наиболее важных результатах. Эта модель предсказывает, что средняя плотность вещества в Метагалактике: 10-29 г/см. Хотя непосредственные наблюдения свидетельствуют, что это так, однако расчеты устойчивости скоплений галактик показывают, что вещества должно быть, по крайней мере, на порядок больше. Следующая группа доказательств основана на несколько нестандартном подходе и мы рассмотрим его подробнее, поскольку он связан с хорошо изученными закономерностями физики элементарных частиц.

Остановимся вначале на методе рассуждений, а затем подробно рассмотрим один пример. Суть этого подхода основывается на следующей идее. Изменим (разумеется, мысленно) величину одной из фундаментальных постоянных и посмотрим какова будет структура такой воображаемой метагалактики. Оказывается, что подобная вариация фундаментальных постоянных фатально приводит к однозначному результату. Измененная метагалактика становится обедненной отсутствует один (или несколько) из основных элементов, составляющих нашу Метагалактику. Под основными элементами подразумеваются атомные ядра, атомы, молекулы, звезды и галактики. Меньшее изменение фундаментальных постоянных должно обязательно привести к обеднению мира. Более того, оказывается, что существующие в нашей Метагалактике значения фундаментальных постоянных, как правило, являются гигантскими флуктуациями. Тогда возникает собственный вопрос: почему в нашей Метагалактике существует набор фундаментальных постоянных, обеспечивающий многоцветие, сложность ее структуры? Если не выходить за рамки физических представлений, то ответ будет единственным: существует множество метагалактик с разными структурами, более простыми, чем наша Метагалактика. Реализация в ней сложной структуры есть следствие некоего вероятностного закона и является большой флуктуацией. Но существование множества метагалактик — основное следствие модели раздувающейся Вселенной и поэтому приведенные выше рассуждения косвенно подтверждают ее основу. Остановимся далее на одном важном примере.

Атом водорода, состоящий из протона и электрона, абсолютно стабильный элемент, хотя в соответствии с теорией взаимодействий элементарных частиц может произойти превращение прогона и электрона в нейтрон и нейтрино. Подобный коллапс атома водорода не происходит по единственной причине: он запрещен законом сохранения массы (энергии). Суммарная масса протона и электрона меньше массы нейтрона.

Однако достаточно увеличить (разумеется умозрительно) массу электрона более, чем в 2,5 раза, чтобы суммарная масса протона и «утяжеленного» электрона превзошла бы массу нейтрона. И в таком случае коллапс атома водорода был бы неизбежен. Рассмотрим эволюцию Метагалактики, в которой все было бы «по - нашему», исключая утяжеления электрона. С первого взгляда кажется, что последствия подобной гипотезы были бы сравнительно незначительными; в такой Метагалактике отсутствовал бы один химический элемент — водород. Подобный оптимистический взгляд на изменение структуры Метагалактики кардинально неверен.

Дело в том, что в соответствии с современной космологией в Метагалактике существовала эра нейтрального водорода (при 107 лет) и именно в эту эпоху возникают галактики и звезды; в процессе их эволюции образуются тяжелые элементы периодической системы. В Метагалактике с «утяжеленным» электроном весь водород превратится в ней нейтроны и нейтрино, все галактики и звезды будут состоять исключительно из нейтронов и нейтрино. Все элементы периодической системы будут отсутствовать. Возникает образ «нейтронной» Метагалактики. Таково последствие «утяжеления» электрона более чем в 2,5 раза. И далее возникает важнейший вопрос. Велико или мало «утяжеление» электрона в 2,5—3 раза? Чтобы ответить на этот вопрос, целесообразно использовать хорошо установленные экспериментальные данные о распределении элементарных частиц по массам. Оказывается, что более 90 % элементарных частиц имеют массу в тысячу раз превышающую массу электрона. Более того, можно, используя это экспериментальное распределение, оценить вероятность того, что масса одной из частиц будет заключена в интервале (0 - 2,5) • m, необходимом для образования всего «многоцветия» периодической системы. Оказывается, что эта вероятность очень мала; она менее одной миллионной!

Таким образом, малость массы электрона — большая флуктуация в мире элементарных частиц. Этот пример, как и анализ малых изменений других фундаментальных постоянных (констант взаимодействий элементарных частиц, масс протона и нейтрона, размерности пространства), свидетельствует, что структура Метагалактики неустойчива в следующем смысле: эти небольшие изменения приводят к «исчезновениям» одного или нескольких основных элементов Метагалактики: атомных ядер, атомов, звезд и галактик. Сложность структуры Метагалактики находится в строгом соответствии с численными значениями фундаментальных постоянных. Этот факт имеет единственную физическую интерпретацию; существует множество метагалактик, а сложность структуры нашей Метагалактики практически однозначно отбирает численные значения фундаментальных постоянных. Существуют другие метагалактики с измененными значениями этих постоянных. Такие метагалактики имеют более простую структуру, чем наша Система.

Авторство, источник и публикация:
1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Автор - И. Л. РОЗЕНТАЛЬ, доктор физико-математических наук 
3. Публикация проекта 01.05.2008