Самое убедительное доказательство взрывного начала всего сущего было получено в 1965 году радиоастрономами Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном в результате ряда измерений радиотелескопом радиошума, оставшегося от фазы горячей Вселенной на раннем этапе её развития. С этого времени идея взрывного начала, получившая название теории Большого взрыва, брала неизменно верх над всеми другими представлениями [35].
Тем не менее и она не была лишена недостатков, поскольку постулировала сингулярность, бесконечную плотность материи в начальный момент расширения и бесконечную температуру. И что очень важно, теория Большого взрыва не отвечала на вопрос, почему наше пространство трёхмерное. Наука не может работать с такими эмпирическими показателями, поэтому в конце XX века она была дополнена концепцией раздувающейся Вселенной, но для этого необходимо было обратиться к физике элементарных частиц, и, в частности, к теории Великого Объединения, описывающей единообразно гравитационные, слабые и сильные виды ядерных взаимодействий, а также электромагнитизм.
Откуда и почему произошёл Большой взрыв? Как из Ничто возникла огромная Вселенная во всём своём последующем многообразии? Для обыденного сознания такое не просто понять. Воспользуемся аналогией из нашего макромира. Откуда и почему рождается живописное полотно у художника? По сути краски, кисти и холст это всего лишь инструменты для будущего творения. Необходимо определиться с выбором сюжета, формы, цветовой гаммы и т. д. Как возникают мысли в мозге? Несомненно, субстратом их продуцирующим, является нейронная сеть, но почему и как рождается конкретная идея? Иногда совершенно пустая, а порой гениальная. Люди как творчества, так науки чаще всего объясняют это озарением, прозрением, инсайтом, возникающим «из ничего».
В физике элементарных частиц возникновение Нечто из Ничто не является чем-то необычным. При крайне высоких значениях напряжённости электрического поля спонтанно, «из ничего», рождаются электроны и позитроны. Вблизи чёрных дыр из-за колоссальной гравитации вакуум постоянно испускает вновь рождённые элементарные частицы. Это излучение чёрных дыр было открыто знаменитым физиком Стивеном Хокингом. Поэтому само происхождение Большого взрыва не должно ассоциироваться с кроликом, появляющимся из шляпы, когда зрители в зале прекрасно понимают, что их обманывают. А вот вопрос, что же происходило дальше, является как раз краеугольным камнем в космологии.
В 80-х годах XX века А.Г. Гутом и П.Д. Стейнхардтом была разработана новая концепция, получившая название теории Раздувающейся Вселенной. Она позволила разрешить ряд проблем, присутствующих в концепции Большого взрыва, связанных с ранними фазами рождения Вселенной. Для этого были использованы достижения физики элементарных частиц, поскольку Вселенная являлась микрообъектом и подчинялась законам квантовой механики. К этому времени в физике была создана теория Великого объединения, единообразно описывающая электромагнитное, слабое и сильное ядерные взаимодействия. Также сформировались подходы к разработке теории Всего сущего, которая присоединила сюда ещё и гравитацию. Это было огромным достижением, так как природа, механизмы, силовые компоненты этих взаимодействий были совершенно различны. Если рассматривать физические взаимодействия частиц, то они характеризуются наличием базовых частиц, называемых фермионами, и частиц, которыми они обмениваются бозонами. В электромагнитном взаимодействии фермионами являются электроны, а бозонами фотоны. В слабом ядерном обменными частицами выступают уже три бозона W+, W- и Z0. В сильном ядерном взаимодействии обменные частицы это глюоны, их 8 типов, связывающих кварки, из которых состоят адроны, например, такие как протоны и нейтроны. За гравитационное взаимодействие ответственны гравитоны. Так вот, если за единицу принять сильное ядерное взаимодействие, то электромагнитное составит от него 1/137, слабое ядерное 10
-4
-34
Выяснилось, что при температуре 10
15
27
32
Другой важнейшей физической реальностью, с которой связано рождение нашего мира, является вакуум. Вакуум в квантовом мире кардинально отличается от вакуума в классической физике, где он представляется как пустота. В микромире вакуум это не пустота. Дело в том, что из-за соотношения неопределённости энергии происходят её флюктуации, возникают и исчезают частицы, которые называют виртуальными. В настоящее время энергия вакуума крайне мала, но так было не всегда. Для лучшего понимания вакуум можно сравнить с агрегатными состояниями вещества, при изменении которых поглощается или выделяется энергия. 13,7 млрд лет назад и произошёл такой фазовый переход, в результате чего выделилось огромное количество энергии. За состояние вакуума отвечает поле Хиггса, скалярное поле, присутствующее в пространстве. В самые первые мгновения горячего Большого взрыва во Вселенной с её микроскопическим размером 10
-28
32
94
3
27
27
-34
27
Теория инфляции объяснила отсутствие кривизны за счёт фазы быстрого расширения. Она также ввела на основе теории Великого объединения параметры температуры, плотности, временные характеристики и объяснила превалирование вещества над антивеществом. Так, распад бозонов Хиггса, приведшей к образованию обычных частиц материи и античастиц, оказался несимметричным. Эта теория в современных её модификациях создала условия для развития идей Мультивселенной, согласно которой наша Вселенная с её набором пространственных измерений является всего лишь одной из множества миров, где реализуются N пространственно-временные многообразия, поскольку в момент фазового перехода вакуума могло образоваться много областей пространства, претерпевших фазу инфляции.
Гравитация как деформация пространства
Что больше всего на свете? Такую загадку задавал своим ученикам древнегреческий философ Фалес. Ответить на этот вопрос удавалось далеко не всем. Тем не менее, даже в сложном есть простое. Больше всего на свете пространство, ибо оно объемлет всё. Всё существующее во Вселенной имеет пространственные измерения, и ориентация в пространстве играет огромную роль в деятельности людей.
Представления о сущности пространства кардинально менялись в ходе развития человеческого познания. Так, Аристотель понимал под пространством сумму мест, занимаемых объектами, но рождение классической физики перевернуло представления здравого смысла: физика Галилея, Ньютона начала представлять пространство как протяжённую пустоту, которую в обыденном земном мире никто не видел, поскольку мы живём в газовом пузыре планеты.
Современная физика в лице Эйнштейна пошла ещё дальше, выворачивая наизнанку здравый смысл обыденного человеческого сознания. Теперь под пространством начали понимать жёсткую и упругую среду, которая в 100 тыс. раз прочнее стали и гораздо более упругую, чем резина. Само понятие кривизны или деформации пространства ввёл в науку немецкий математик Гаусс, он 15 лет не публиковал своих научных трудов, опасаясь непонимания среди коллег. Его работы привели к созданию новой науки топологии, а геометрия Евклида (которую все мы изучали в школе) оказалась лишь частным случаем обширного разнообразия типов геометрий.
Следовательно, при существовании в пространстве кривизны оно неевклидово. В реальном физическом мире поля тяготения и массы вызывают кривизну или деформацию пространства, что проявляется в форме гравитационного взаимодействия. У Исаака Ньютона гравитация это сила (достаточно вспомнить закон всемирного тяготения), а у Альберта Эйнштейна уже кривизна пространства.