Концепції сучасного природознавства - Карпов Я. С. - 4.1.9 Модель гарячого Всесвіту. Реліктове випромінювання

Космологія Фрідмана повно й детально описує загальну динаміку розширення Всесвіту.

Питання, що залишалося без відповіді, пов'язане з термодинамікою раннього Всесвіту, а саме: чи був Всесвіт на початку розширення гарячим чи холодним? Теорія припускала й нескінченну температуру, і температуру, що дорівнює нулю. Американський фізик Г. Гамов висунув припущення про те, що надщільна речовина раннього Всесвіту була над гарячою. Отже, Всесвіт був заповнений квантами високих енергій. У процесі розширення Всесвіт остигає й енергія фотонів зменшується. Тому в наш час спектральний розподіл енергії цих квантів повинен відповідати випромінюванню абсолютно чорного тіла, нагрітого до температури ~ 4 К, і шукати ці кванти потрібно в сантиметровому діапазоні радіохвиль.

У 1965 році А. Пензіас і Р. Вілсон (США) зареєстрували космічне випромінювання, інтенсивність якого не залежала від напрямку і яке не можна було приписати відомим радіоджерелам. Це зареєстроване реліктове випромінювання є доказом того, що Всесвіт був гарячим. Температура реліктового випромінювання становить 2,7 К.

Згідно з теорією гарячого Всесвіту, просторово-часові властивості останнього надзвичайно точно описує одна із трьох моделей Фрідмана — відкрита, замкнута або плоска. За будь-якої умови Всесвіт повинен був народитися в сингулярному стані з нескінченно великими густиною і температурою на момент Великого Вибуху. Коли відбувалося подальше розширення, температура Всесвіту знижувалася й поступово досягла сучасного значення 2,7 К.

Маючи ряд незаперечних достоїнств, теорія гарячого Всесвіту, проте, з деяких поглядів є недостатньо задовільною. Так, зокрема, вона не дає відповіді на питання: чому доступна для спостережень частина Всесвіту однорідна; звідки в цьому однорідному світі з'явилися первинні неоднорідності, необхідні для утворення галактик; чому різні ділянки Всесвіту, що сформувалися незалежно одна від однієї, у наш час мають практично однаковий вигляд.

Нині особливої популярності набули теорія Калуци-Клейна і теорія суперструктур, згідно з якими простір-час Всесвіту спочатку мав розмірність d > 4, але в деяких напрямках простір нібито стиснувся в тонку трубку. Тому макроскопічні тіла не можуть рухатися в цих напрямках і простір-час видається чотиривимірним. Від того, скількох змін зазнало стиснення і як саме воно відбулося, залежить і ефективна розмірність простору Всесвіту та властивості елементарних частинок у ньому.

До нього часу не встановлено, чому простір-час є чотиривимірним і чому фізичні взаємодії поділяються на слабкі, сильні та електромагнітні.

4.1.10 Інфляційна модель

Основну частину цих проблем можна розв'язати (або уникнути їх) у рамках теорії роздувного Всесвіту. Загальна риса різних варіантів цієї теорії — це наявність стадії експоненціального розширення Всесвіту, який перебуває у вакуумоподібному стані, що відзначається великою густиною енергії. Цю стадію називають стадією роздування, або інфляції. Після роздування вакуумоподібний стан порушується; частинки, які утворюються при цьому, взаємодіють між собою, і в подальшому еволюція відбувається згідно з теорією гарячого Всесвіту.

У типових моделях стадія роздування триває недовго — приблизно с. Однак за цей проміжок час роздувшій Всесвіт встигає збільшитися в разів. Унаслідок такого значного поширення геометрія простору всередині роздувної ділянки Всесвіту перестає практично відрізнятися від евклідової геометрії плоского світу — подібно до того, як геометричні властивості поверхні повітряної кулі у процесі роздування все менше і менше відрізняються від властивостей площини. Роздування Всесвіту призводить до того, що неоднорідності опиняються за межами видимого Всесвіту, розміри якого становлять 1 = см. Оскільки видимий Всесвіт утворився в результаті роздування однієї мізерно малої ділянки, то немає нічого дивного в тому, що властивості різних значно віддалених одна від однієї ділянок світу, який ми можемо спостерігати, виявилися однаковими.

Ми існуємо в чотиривимірному просторі-часі, де виявляються відомі нам типи взаємодій; але не виключено, що це відбувається зовсім не тому, що світ має бути влаштований так і саме так. Можливо, у різних частинах Всесвіту можуть реалізовуватися всі мислимі стани, але життя у звичному для нас вигляді може виникнути лише в чотиривимірному просторі-часі.