Питання «чому Всесвіт розширюється» постало перед природодослідниками вже наприкінці 20-х років ХХ ст. І теорія «Великого вибуху», тобто теорія гарячого Всесвіту відповісти на нього не могла. Як відзначав Я.Б. Зельдович, – «в цю теорію розширення закладене від початку. Як висловлюються теоретики, закладено “руками”, довільним завданням початкових умов. На питання, чому Всесвіт розширюється, чому галактики розлітаються тепер відповідь полягає в тому, що вже в першу секунду (а може й раніше) існував початковий розподіл швидкостей, відповідний розльоту» (Природа, 1984. – № 2). Тим часом, розширення, яке спостерігається в наш час, – усього лише «відблиск» тих могутніх процесів, що їх пережив Всесвіт у минулому і одним з проявів яких було його роздування. Інакше кажучи, простому розширенню передувало «роздування Всесвіту», або «інфляційна фаза». Запишемо тут головні співвідношення, з яких видно, що і справді за умов, типових для вакууму, еволюція Всесвіту відбувається за експоненціальним законом. Співвідношення, яке дозволяє оцінити масштаб роздування, можна одержати з міркувань, аналогічних використаним при виведенні рівнянь Фрідмана «в рамках класичної теорії». На відстані r від центра однорідної хмари, що має густину ρ, виділимо пробну частинку m. Під дією маси хмари M = частинка набуває прискорення , (3.5) направлене до центра сфери. Знак мінус означає, що частинка хмарою притягується. Із загальної теорії відносності випливає, що насправді прискорення частинки а залежить не тільки від густини ρ, але і від тиску р. Відповідна узагальнена формула для а має вигляд (3.6) І якщо зв’язок між тиском і густиною визначається співвідношенням (3.4), то з останньої формули випливає, що (3.7) де через Λ позначена величина (3.8) Як видно, у вакуумі прискорення а має додатній знак і отже ним описується гравітаційне відштовхування, величина якого пропорційна відстані. А оскільки , то із співвідношення (3.7) знаходимо формулу, якою визначається зміна відстаней між частинками (а не тільки віддалення пробної частинки від маси М!) з часом , (3.9) тобто воно справді зростає за експоненціальним законом. У свою чергу, швидкість , з якою відбувається «розгін» частинок, рівна (3.10) Зіставляючи це співвідношення із законом Хаббла (1.2), приходимо до висновку, що коефіцієнтом пропорційності у зв’язку швидкості υ з відстанню r у формулі (1.1) є стала Хаббла (3.11) Проведемо деякі числові оцінки. Густину вакууму приймають рівною ρВ = 1094 г/см3. Тоді з формули (3.7) знаходимо, що Λ = 2∙1067см-2, а співвідношення (3.9) конкретизується так: . Звідси випливає, що за час від t = 10-43c до t = 10-35c відстань у Всесвіті збільшиться в разів. Зрозуміло, що зобразити графічно ці зміни масштабу неможливо. Отже, за проміжок часу Δt = 10-35c масштаби Всесвіту збільшилися приблизно в раз, тобто відстані між двома довільно взятими частинками на кінець роздування вже рівні 10-33· см ≈ см (такі закони операцій з гігантськими числами типу , ще раз нагадаємо, що це число, відповідно до нової традиції, можна записати й так: 10(108)). У свою чергу, «середня швидкість» розльоту частинок υ≈ см / 10-35с ≈ см/с. Звідси випливає, що у Всесвіті реалізуються умови, за яких швидкості набагато перевищують швидкість світла. Але тут йдеться про властивості самого простору! Класична теорія розширного Всесвіту зіткнулася із рядом проблем. Їх якраз і вдалося усунути за допомогою моделі роздувного Всесвіту. Ось найважливіші з них. 1. Проблема ентропії: чому у Всесвіті число фотонів реліктового радіовипромінювання в одиниці об’єму Nγ приблизно в 109 разів перевищує концентрацію важких частинок NВ? Інакше кажучи, чому у Всесвіті така висока питома ентропія, коли число фотонів, що припадають на один баріон, характеризує міру нагрітості речовини? З цією проблемою воєдино зв’язана проблема зарядової асиметрії речовини у Всесвіті: чому ядра атомів мають додатний електричний заряд, тоді як електрони, що «обертаються» навколо них, – від’ємний? 2. Проблема горизонту (або кривини): чому Всесвіт у великих масштабах однорідний та ізотропний, так що інтенсивність реліктового радіовипромінювання практично не залежить від напряму? 3. Проблема евклідовості геометрії (плоского простору Всесвіту): чому густина матерії у Всесвіті дуже близька до її «критичного» значення (ρ = ρкр, Ω = 1), а геометричні властивості простору такі близькі до властивостей плоского евклідового простору? 4. Проблема однорідності і первинних флуктуацій (утворення галактик): чому в дуже великих масштабах (аж до відстаней близько 5000 Мпк, на яких знаходяться найбільш віддалені з відомих об’єктів) Всесвіт такий однорідний? Чому в малих масштабах у ньому спостерігаються порожнечі («каверни») – області протяжністю до 100 Мпк, в яких галактики практично відсутні? І як у Всесвіті виникають неоднорідності, з яких надалі утворюються галактики? 5. І, нарешті (або – передусім), – найбільшою проблемою теорії розширного Всесвіту, було питання про сингулярність: чи справді Всесвіт народився у стані з нескінченною густиною? Про те, яким виявився розв’язок останньої зі згаданих тут проблем, вже сказано вище: Всесвіт виник внаслідок квантового стрибка з «просторово-часової піни». Щодо інших склалося таке уявлення: 1. Проблема ентропії і зарядної асиметрії вирішується в теорії Великого об’єднання. При енергіях порядку 1015 ГеВ ефективно народжуються надважкі Х-бозони і відповідно в такій же кількості античастки . Кожна з цих частинок може – двома різними каналами і (що дуже важливе) з дещо неоднаковою імовірністю – розпадатися на кварки й антикварки. Наприклад, Х-бозон, який має електричний заряд +4/3, розпадається на два u-кварки (X → qu + qu) або ж на антикварк із зарядом +1/3 і антилептон (позитрон е+) з електричним зарядом +1 (X → qd + e+). Розпади Х- і -бозонів і відбуваються у роздувному Всесвіті після зниження температури. Тоді ж утворюється певний надлишок кварків над антикварками; після їх об’єднання в протони й антипротони з’являється невеликий надлишок частинок над античастинками, а після їх анігіляції – «залишок», що й спостерігається сьогодні, як «звична» речовина. При цьому, унаслідок процесів анігіляції утворюється, як показали розрахунки, також надлишок фотонів по відношенню до числа баріонів. Існування двох каналів (схем) розпаду Х-бозона на кварки або антикварк-антилептон фактично означає, що баріонний заряд не зберігається. Звідси випливає украй важливий висновок: в природі повинні відбуватися процеси розпаду протонів (T½ ≈ 1032 років). 2. Проблема горизонту вирішується таким чином. Точки, з яких ми сьогодні приймаємо сигнали (звідки до нас приходить реліктове радіовипромінювання), «до роздування» перебували дуже близько одна до одної, усередині загального горизонту видимості для того моменту. Між ними, звичайно, відбувався обмін сигналами (квантами енергії) і відповідно відбулося вирівнювання температури. Пізніше, внаслідок роздування ці точки розійшлися на відстані, істотно більші від відстані до горизонту. Тож ми приймаємо сигнали усього лише з невеликої частини тієї області, де відбулося вирівнювання температури. 3. Проблема плоского простору також легко з’ясовується і навіть допускає пояснення за допомогою елементарного прикладу. Якщо в початковий момент tPl кривина двовимірного простору – поверхні кулі (її відхилення від площини) була дуже великою, то після роздування (адже йдеться про фантастичне збільшення масштабів у 10(106) або навіть в 10(4·108) разів!) геометрія його поверхні стає практично евклідовою (рис. 3.5). Тобто, якщо навіть у Всесвіті при t = tPl густина істотно перевищувала критичну (Ω > 1), то внаслідок роздування відбувається наближення до стану Ω → 1. Що ж стосується походження первинних збурень, то його пов’язують із уже згаданими квантовими флуктуаціями скалярного поля, які виникли через ~ 10–34 с після Великого Вибуху. Певні “сліди” цих процесів зберігає “для нас” космічний мікрохвильовий фон (КМФ – реліктове радіовипромінювання), а саме – його анізотропія, тобто “відчутні” флуктуації величини інтенсивності (температури) залежно від кутової відстані точок небесної сфери. Цей факт і був блискуче підтверджений у 1992 р. за допомогою супутника COBE і особливо даними космічного апарата WMAP (див. розділ 1).
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Є роздування – немає проблем!» з дисципліни «Фрагменти космології»
