Вселенная была величайшей тайной для человечества во все времена. Она и по сей день представляет собой исключительный, безграничный предмет для познания и рассуждения. Первоочередными проблемами, встающими перед человеком, являются вопросы: как вселенная возникла, имеет ли она конец?
На начальных этапах развития науки изучения возникновения вселенной были попросту невозможны. Более того, в течение почти всей истории современной физики и астрономии не хватало адекватных теоретических основ, не говоря уже об устройствах и приборах, необходимых для наблюдений и исследований, позволяющих воссоздать историю Вселенной в её раннем этапе. Известный американский физик-теоретик Стивен Вайнберг вспоминал, что в его студенческие годы изучение ранней Вселенной считали задачей, которой не должен посвящать свое время уважающий себя ученый.
Однако наука не стоит на месте. В1929 году Эдвином Хабблом было сделано революционное открытие, которое позволило перевести вопросы о возникновении Вселенной в область компетенции науки. Исследования показали, что независимо от местоположения наблюдателя, все далекие галактики быстро удаляются от него. Это говорит о том, что вселенная расширяется.
Есть несколько вариантов развития событий при разных состояниях комического пространства. При статичном состоянии Вселенная сжималась бы под действием гравитации. При медленном расширении увеличение Вселенной имело бы конец и могло бы перейти в сжатие. Но расширение при превышении некоторого критического значения было бы бесконечным, потому что сил гравитационного взаимодействия было бы недостаточно, чтобы остановить увеличение Вселенной.
Это явление С. Хокинг сравнивает с ракетой, которую запускают с поверхности земли. «Если скорость ракеты не очень велика, то из-за гравитации она в конце концов остановится и начнет падать обратно. Если же скорость ракеты больше некоторой критической, то гравитационная сила не сможет ее вернуть и ракета будет вечно продолжать свое движение от Земли»: пишет он в своей книге «Краткая история времени».
В начале развития Вселенной её плотность была бесконечно большой. Именно в этот момент произошёл так называемый Большой взрыв. Большой взрыв «произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы» (Вейнберг С. «Первые три минуты»). Вселенная была невероятно горячей на раннем этапе. Частицы сталкивались, объединялись и формировали тяжёлые ядра, распадались на элементарные компоненты от столкновения с другой тяжёлой частицей и процесс начинался сначала. С. Хокинг замечает: «При таких условиях все законы науки теряют смысл и не позволяют предсказывать будущее».
Благодаря исследованиям теоретиков Х. Д. Политцера, Д. Гросса и Ф. Вилчека в 1973 году было выяснено, что силы между кварками, из которых состоит протон, становятся слабее, если кварки прижимаются ближе друг к другу, поэтому они ведут себя как свободные частицы. «Таким образом, асимптотическая свобода подобных неабелевых калибровочных теорий дает понятие очень простой картине первой сотой доли секунды — тому, что Вселенная была сделана из свободных элементарных частиц» (Вейнберг С. «Первые три минуты»).
Существует невероятное следствий современных теорий элементарных частиц, которая включает в себя идею того, что Вселенная могла испытать фазовый переход, повлекший собой большое падение температуры.
«Здесь полезна аналогия с замерзающей в стакане водой. Выше точки замерзания жидкая вода проявляет высокую степень однородности: вероятность обнаружить молекулу воды в одной точке внутри стакана такая же, как в любой другой точке. Однако, когда вода замерзает, эта симметрия между различными точками в пространстве частично теряется: лед образует кристаллическую решетку, причем молекулы воды занимают определенные, регулярно расположенные в пространстве положения, и вероятность обнаружения молекул воды где-нибудь в другом месте почти равна нулю. Подобным образом, когда Вселенная «замерзает», как только температура падает ниже 3000 миллионов градусов, теряется симметрия, но не пространственная однородность, как в нашем стакане со льдом, а симметрия между слабыми и электромагнитными взаимодействиями. Как знает каждый, когда вода замерзает, она обычно образует не идеальный кристалл льда, а нечто значительно более сложное: огромную путаницу кристаллических областей, разделенных разными типами кристаллических нерегулярностей» (Вейнберг С. «Первые три минуты»).
В наше время природа показывает всё своё разнообразие частиц и типов взаимодействий. Однако наука учится видеть то, что находиться за этим многообразием, учится видеть то, какая единая простая структура существует за ней.
Большой Взрыв можно считать началом отсчета времени. Рассуждая логически, можно сделать вывод, что начало было и что само время до этого момента не имеет смысла. С. Вайнберг пишет: «Мы все привыкли к идее абсолютного нуля температуры. Невозможно охладить что-то ниже —273,16 °C, и не потому, что это чересчур сложно или никто не придумал достаточно умного холодильника, а потому, что температура ниже абсолютного нуля просто не имеет смысла, — мы не можем иметь меньше тепла, чем полное отсутствие тепла. Подобным образом мы можем прийти к идее абсолютного нуля времени — момента в прошлом, раньше которого в принципе невозможно проследить любую цепь причин и следствий».
Интересный факт связан с тем, что С. Хокинг в своей книге «Краткая история времени» подчёркивает: «Представление о расширяющейся Вселенной не исключает создателя, но налагает ограничения на возможную дату его трудов!». Это говорит о том, что человек науки не исключал возможности наличия создателя. Это вполне объяснимо, ибо такая стройная структура вселенной со своими закономерностями, скорее всего, не могла возникнуть сама по себе, без вмешательств внешних сил. Тем более наличие жизни на нашей планете с малой долей вероятности могло быть случайным стечением обстоятельств в том хаосе зарождения Вселенной. Однако, прежде чем делать какие-либо выводы в данном вопросе, пройдёт немало лет неведения.
Перед нами стоит вопрос: будет ли Вселенная бесконечно расширяться или всё же будет время, когда начнётся сужение? Это зависит от уровня космической плотности.
С. Вайнберг считает, что при космической плотности меньшей критической, Вселенная имеет бесконечную протяженность и будет продолжать расширяться всегда. Автор пишет: «Наши потомки, если они у нас тогда будут, увидят, как медленно подходят к концу термоядерные реакции во всех звездах, оставляя после себя различные сорта шлака: черные карликовые звезды, нейтронные звезды, возможно, черные дыры. Планеты могут продолжать свое движение по орбитам, немного замедляясь за счет излучения гравитационных волн, но никогда не приходя в состояние покоя за любое конечное время. Температура космического фона излучения и нейтрино будет продолжать падать обратно пропорционально размеру Вселенной, но этот фон не исчезнет; даже сейчас мы едва можем детектировать трехградусный фон микроволнового излучения».
Если же космическая плотность станет больше критического значения, то расширение Вселенной, в конце концов, прекратится, и начнётся сжатие. Тревожных сигналов конца света не поступит. Фон излучения будет холоден и обнаружить его будет очень сложно. Как только фон излучения начнёт преобладать в небе, ночное небо станет таким же теплым, как сейчас днем. «Семьдесят миллионов лет спустя Вселенная сократится еще в десять раз, и наши наследники и преемники увидят небо невыносимо ярким»: пишет С. Вайнберг. Начнётся обратный процесс. Космическая температура достигнет невероятных значений. Звёзды и планеты начнут превращаться в «суп из излучения». Вся плотность Вселенной превратится в сингулярность.
Может ли человек проследить всю эту историю конца вселенной? На этот вопрос пока невозможно дать определённого ответа. В этом химическом аду не может выжить ни одно живое существо. Вполне возможно, что сегодняшняя Вселенная представляет собой только одну фазу, поле которой следует очередное сжатие и расширение. Этот цикл может иметь происхождение в далеком прошлом или же не иметь начала никогда.
Литература:
- «Краткая история времени» Стивен Хокинг.
- «Первые три минуты» Стивен Вайнберг.
- https://elementy.ru/trefil/41/Bolshoy_vzryv
