Космологическая сингулярность

Новый этап в развитии современной космологии наступил после работ Фридмана (1922 г.).

Используя релятивистскую теорию тяготения Эйнштейна, он получил математическую модель движения вещества во всей Вселенной под действием сил тяготения. Фридман доказал, что вещество Вселенной не может находиться в покое, т.е. Вселенная нестационарная: она должна либо сжиматься, либо расширяться. Из теории Фридмана следует, что наша Вселенная возникла из состояния космологической сингулярности.

В 1948 г. Гамов, Альфер и Херман предложили вариант возникновения горячей Вселенной как результат "Большого Взрыва" вещества.

Основная идея гипотезы горячей Вселенной заключалась в том, чтобы процессы протекания термоядерных реакций в самом начале расширения Вселенной после взрыва и по мере дальнейшей ее эволюции привели к наблюдаемому в космосе в настоящее время соотношению между количеством различных химических элементов и их изотопов.

Наблюдения за различными объектами Вселенной: горячими звездами, большими газовыми туманностями, гигантскими молекулярными облаками, Солнцем, космическими лучами, квазарами, галактиками и т.д. показазали, что в них, по массе, обнаруживается »25 - 27% гелия, »70 - 72% водорода и малая примесь остальных химических элементов, доля которых меняется от объекта к объекту, а содержание гелия и водорода постоянно.

Но до образования небесных тел (галактик, звезд и т.д.) вещество Вселенной однородно (все четыре силовых взаимодействий представляет одно "суперобъединение" при температуре T»10³² К) и ни каких перепадов давления не имелось, следовательно, не было и силы, в результате которой и началось стремительное расширение. Особую роль при этом сыграл физический вакуум.

Причем он в зависимости от условий может быть разным.

В нем вместе с плотностью энергии (из-за взаимодействия виртуальных частиц) одновременно возникают натяжения (подобно силам натяжения, возникающим при растяжении, например металлического стержня).

Эти натяжения эквивалентны отрицательному давлению, т.е. как бы возникает отрицательное давление. В обычных средах натяжения и давления составляют малую долю полной плотности энергии.

В физическом вакууме отрицательное давление огромно и по абсолютной величине равно плотности энергии.

По мере расширения Вселенной (происходит понижение температуры) симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействием нарушается.

Как известно, слабое взаимодействие связывают с наличием особых зарядов (отличных от электрических зарядов, между которыми осуществляется электромагнитное взаимодействие с помощью фотонов) и это взаимодействие происходит на очень малых расстояниях.

Это связано, прежде всего, с большой массой переносчиков слабого взаимодействия W⁺, W^- и Z^o- бозонов.

Однако при температуре выше T»10¹⁵ К, как показывает расчет, существует единое электрослабое взаимодействие между частицами.

Его переносчики W⁺, W^- и Z^o- бозоны и g-фотоны имеются в изобилии и не обладают массой. Нет массы у кварков и лептонов.

Спустя несколько минут после расширения Вселенной температура упала до »10⁹ К.

При таких температурах уже стало возможным соединение протонов и нейтронов с образованием ядер дейтерия, которые в результате термоядерных реакций приводили к образованию ядер атомов гелия.

Но из-за продолжающегося расширения Вселенной и снижения температуры термоядерные реакции ранней Вселенной прекращались.

За 5 минут успело образоваться около 25% гелия, а 75% составлял водород.

Действительно многочисленные наблюдения показали, что первое поколение звезд во Вселенной имело именно такой процентный состав.

Ядра атомов более тяжелых элементов появились во Вселенной много миллиардов лет позже в результате ядерных реакций в недрах звезд.

Все активные процессы с участием элементарных частиц закончились, и наступил длительный период относительно спокойного расширения Вселенной.

Расширяющееся вещество представляло собой высокотемпературную, ионизированную плазму, не прозрачную для излучения фотонов, которое и определяло в тот момент силу давления.

В этой смеси плазмы и излучения имелись небольшие колебания плотности вещества - звуковые волны.

По истечении »3×10⁵ лет фотонной эры, за счет продолжающегося расширения Вселенной, плазма остыла до »4×10³ К и превратилась в нейтральный газ в процессе захвата ядрами атомов свободных электронов. Этот газ стал прозрачным для фотонов, которые получили (открыты в 1965 г.) название реликтового излучения.

В настоящее время энергия реликтовых фотонов уменьшилась, а температура фотонного излучения составляет всего 3 - 5 К.

Реликтовое излучение представляет собой слабый радиошум, приходящий из космоса независимо от направления приемной антенны. Число фотонов реликтового излучения, находящихся в каждом 1 см³ Вселенной, »500, а их плотность энергии »5×10^-13 эрг/cм³.

Из-за отсутствия давления излучения упругость нейтрального газа резко упала и стало возможным проявление гравитационной неустойчивости, которая привела к образованию достаточно больших по размеру сгущений газа.

Вследствие уплотнения звуковых колебаний при распространении их в этих комках газа, силы тяготения начинают увеличиваться, что и приводит к образованию массивных облаков, эволюционирующих в дальнейшем в сверхскопления галактик, скопления галактик и галактики.

Все что наблюдается сегодня в космосе - проявление космологической сингулярности.

В настоящее время считается, что никакого предварительного сжатия перед космологической сингулярностью не было, она стала истоком времени, а сингулярность внутри черной дыры является концом ручейков реки времени.

Поэтому в космологической сингулярности время и пространство так же распадаются на кванты.

В связи с этим теряет смысл сам вопрос, а что было еще раньше?

Можно только отметить, что вблизи сингулярности в масштабах квантов времени и пространства, существовала "пена" этих квантов, т.е. наблюдались квантовые флуктуации пространства и времени.

В это время рождаются и тут же исчезают небольшие "виртуальные" замкнутые миры и виртуальные черные, и белые дыры.

Столь малые размеры при больших энергиях кипящей "пены", обусловили возможность существования не трех, а более измерений.

Однако эти дополнительные измерения остаются скрученными и не реализуются, а остаются только три пространственных измерения, которые при расширении вещества приводят к современному состоянию Вселенной.

Следовательно, время в сингулярности в корне меняет свои квантовые свойства и начало расширения Вселенной является истоком нашего непрерывного потока времени, которое течет в одном направлении: от прошлого к будущему.

Известно, что космологическая сингулярность произошла »15 - 20 млрд. лет назад.

За это время, свет вышедший из какого-либо источника даже в момент начала расширения, успеет пройти конечное расстояние во Вселенной »15-20 млрд. световых лет или около »6×10¹⁵ пк.

Поэтому точки пространства Вселенной, лежащие от нас на таких расстояниях, называют горизонтом видимости.

Следовательно, те области пространства, которые лежат за горизонтом видимости, сегодня принципиально не наблюдаемы, а вблизи горизонта видимости мы можем наблюдать вещество из далекого прошлого.

Из-за эффекта Доплера красное смещение света неограниченно нарастает, когда излучающий объект приближается к горизонту видимости.

А на самом горизонте - оно бесконечно, поэтому мы можем видеть лишь конечное число звезд и галактик во Вселенной.

В связи с этим решается парадокс классической космологии: фотометрический, который заключается в следующем.

Так как Вселенная бесконечна, она заполнена бесконечным числом звезд и луч зрения рано или поздно встретит светящуюся звезду.

В этом случае все небо должно сиять как поверхность Солнца или поверхность других звезд.

В действительности из-за наличия горизонта видимости мы видим конечное число звезд, которые редко разбросаны в пространстве.

Наше ночное небо представляется темным: в нем видны хаотично разбросанные светящиеся точки звезд.

Подтверждением горячего начала возникновения нашей Вселенной являются результаты наблюдений за объектами космического пространства.

К ним относятся, например, наличие реликтового излучения, наличие »25 - 30% гелия в составе до звездного вещества ранней Вселенной.