Теория всего. От сингулярности до бесконечности: происхождение и судьба Вселенной

Чтобы объяснить содержание моей статьи, я сначала изложу общепринятые взгляды на историю Вселенной в соответствии с моделью, известной под названием «модель горячего Большого взрыва». В ней подразумевается, что Вселенная с момента Большого взрыва описывается моделью Фридмана. В таких моделях расширение Вселенной сопровождается снижением температуры материи и излучения. Поскольку температура — это всего лишь мера средней энергии частиц, это остывание Вселенной будет сильно влиять на содержащуюся в ней материю. При очень высоких температурах частицы будут двигаться настолько быстро, что смогут преодолеть любое взаимное притяжение, обусловленное ядерными или электромагнитными силами. Однако можно ожидать, что при охлаждении частицы, притягивающиеся друг к другу, начнут слипаться.

В момент Большого взрыва размер Вселенной был равен нулю, а значит, она была бесконечно горячей. Но по мере расширения Вселенной температура излучения уменьшалась. Через одну секунду после Большого взрыва она упала до десяти миллиардов градусов. Это примерно в тысячу раз больше температуры в центре Солнца, такие температуры бывают при взрыве водородной бомбы. В то время Вселенная состояла в основном из фотонов, электронов, нейтрино и соответствующих им античастиц, а также из некоторого числа протонов и нейтронов.

В момент Большого взрыва размер Вселенной был равен нулю, а значит, она была бесконечно горячей. Но по мере расширения Вселенной температура излучения уменьшалась.

По мере расширения Вселенной и снижения ее температуры скорость образования электронов и электронных пар при столкновении частиц становилась ниже скорости их разрушения в результате аннигиляции. Поэтому большинство электронов и антиэлектронов аннигилировали, порождая больше фотонов и оставляя совсем немного электронов.

Приблизительно через сто секунд после Большого взрыва температура должна была снизиться до одного миллиарда градусов, что соответствует температуре внутри самых горячих звезд. При такой температуре у протонов и нейтронов уже не хватает энергии, чтобы преодолеть притяжение, обусловленное сильным ядерным взаимодействием. Они начинают объединяться, образуя ядра атомов дейтерия (тяжелого водорода), состоящие из одного протона и одного нейтрона. Затем ядра дейтерия объединяются с другими протонами и нейтронами, образуя ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов. Появляется также небольшое количество ядер более тяжелых элементов — лития и бериллия.

Можно подсчитать, что в модели горячего Большого взрыва около четверти протонов и нейтронов должны превратиться в ядра гелия, а также в небольшое количество ядер тяжелого водорода и других элементов. Оставшиеся нейтроны распадаются на протоны, представляющие собой ядра атомов обычного водорода. Эти предсказания очень хорошо согласуются с наблюдениями.

Модель горячего Большого взрыва также предсказывает, что мы должны наблюдать излучение, оставшееся от горячих ранних этапов развития Вселенной. Однако из-за расширения Вселенной его температура должна была снизиться до нескольких градусов выше абсолютного нуля. Это объясняет происхождение микроволнового фонового излучения, открытого Пензиасом и Уилсоном в 1965 г. Поэтому мы вполне уверены в том, что построили правильную картину развития Вселенной, по крайней мере начиная с одной секунды после Большого взрыва. Всего лишь через несколько часов после Большого взрыва образование гелия и других элементов должно было прекратиться. А затем, на протяжении последующего миллиона лет или около того, Вселенная просто продолжала расширяться без каких-либо особенных событий. По прошествии некоторого времени, когда температура упала до нескольких тысяч градусов, электроны и ядра уже не обладали достаточной энергией, чтобы сопротивляться электромагнитному притяжению между ними. И они начали объединяться в атомы.

Вселенная как единое целое продолжала расширяться и остывать. Однако в областях, где плотность слегка превышала средний уровень, расширение замедлялось дополнительным гравитационным притяжением. Из-за этого со временем расширение в некоторых областях должно было остановиться и смениться сжатием. По мере сжатия сила притяжения материи за пределами этих областей могла заставить их медленно вращаться. Чем меньше становилась сжимающаяся область, тем быстрее она вращалась — так фигуристы ускоряют свое вращение, прижимая руки к телу. В итоге, когда эта область стала достаточно мала, частота вращения увеличилась настолько, что удалось уравновесить гравитационное притяжение. Так возникли вращающиеся дисковидные галактики.