Владимир Воронцов - Происхождение Вселенной, Солнечной системы и Земли. Мир глазами современной науки
Квантовая физика рассматривает вакуум как объект, насыщенный энергией, причём плотность энергии «пустого пространства», согласно расчётам, превышает всю энергию вещества Вселенной (рассчитанную по формуле Е=mс2) в 10120 раз (если ввести некоторые ограничения, то получим 1055 раз, от чего не легче)! Теоретические исследования указывают и на совершенно фантастическое, с точки зрения здравого смысла, свойство вакуума: он должен иметь отрицательное давление, причём плотность его энергии при расширении остаётся, как ни странно, постоянной (в противоположность газовой среде, давление которой положительно и падает с расширением) (Ксанфомалити, 2005).
Учитывая вышесказанное, обобщённый сценарий рождения Вселенной из «ничего» выглядит следующим образом: в физическом вакууме вследствие его неустойчивости постоянно возникают возмущения (флуктуации), которые, как правило, слабы и моментально затухают. Однако в какой-то момент времени случайным образом в вакууме произошло возмущение, превысившее обычную величину, и физический вакуум перешёл в возбуждённое состояние (состояние «ложного вакуума»). В результате возникла гигантская сила отталкивания, вызвавшая стремительное расширение «вакуумного пузыря». Далее, начиная с примерно 10—35 секунды после Большого взрыва, Вселенная вступила в фазу экспоненциального расширения, когда её линейные размеры начали увеличиваться с огромной скоростью. Эта фаза расширения получила название инфляции (лат. inflatio – вздутие). Но, как и во всех возбуждённых квантовых системах, ложный вакуум неустойчив и стремится к распаду. Когда распад происходит, отталкивание исчезает. Это, в свою очередь, ведёт к прекращению инфляции и переходу Вселенной во власть обычного гравитационного притяжения. К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Однако когда инфляция окончилась, Вселенная вдруг стала чрезвычайно «горячей». Этот всплеск тепла обусловлен огромными запасами энергии, заключёнными в ложном вакууме. Когда вакуум распался, его энергия высвободилась в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную примерно до 1027°К. Благодаря тепловой энергии возникло вещество и антивещество, избыток вещества породил элементарные частицы, из которых образовались все элементы, наблюдаемые сегодня. А Вселенная продолжала расширяться благодаря первоначальному импульсу, приобретённому в период инфляции (Девис, 1989).
Основное отличие инфляционной модели Большого взрыва от стандартной заключается в варианте начального этапа расширения Вселенной. Во время инфляции Вселенная расширяется с быстро возрастающей скоростью: за ничтожную долю секунды её радиус увеличивается как минимум в 1030 раз
Таким образом, согласно инфляционному сценарию, Вселенная начала своё существование из вакуума, лишённого вещества. Но если бы даже вещество и присутствовало изначально, его следы быстро затерялись бы вследствие огромной скорости расширения в фазе инфляции. За чрезвычайно короткий отрезок времени, соответствующий этой фазе, Вселенная выросла от миллиардной доли размера протона до нескольких сантиметров. Плотность любого существовавшего изначально вещества фактически стала бы равной нулю. Поэтому вопрос, из чего состояла Вселенная в момент Большого взрыва, потерял актуальность. Вселенная появилась в результате самопроизвольного взрыва пустого пространства, и всё, что было до этого (если оно было), исчезло (Девис, 1989).
В настоящий момент инфляционная модель Большого взрыва приобрела большую популярностью в науке. Считается, что Вселенная и все элементарные частицы, из которых она состоит образовалась именно таким способом. Эта модель помогла избавиться от многих проблем стандартной модели Большого взрыва: состава первичного атома, его загадочного появления, а также невероятных физических характеристик, которыми он обладал.
2.2 Парадоксы инфляционной модели Большого взрыва
В данном контексте предположение о том, что Вселенная была создана из пустого пространства, не более фундаментально, чем предположение, что она была выдута из куска резины. Это может оказаться правдой, но люди всё равно будут спрашивать, откуда появился этот кусок резины.
Астрофизик Алан Гут
Бесспорно, данный сценарий развития Вселенной способен поразить воображение любого читателя и, в первую очередь, незаурядной фантазией его авторов. Что же касается проблем, с которыми ему приходится сталкиваться, то главная из них – это извечная проблема начала: энергия, свойственная, как утверждают учёные, «пустому пространству», должна была откуда-то взяться, но откуда? Возникновение первичной энергии в инфляционной модели Большого взрыва связано с каким-то волшебством. И это только начало волшебства. Вакуум с таинственным отрицательным давлением наделяется совершенно невероятными возможностями. С одной стороны, он создаёт гигантскую силу отталкивания, обеспечивающую его всё ускоряющееся расширение, а с другой – само расширение форсирует возрастание энергии вакуума. Вакуум, по существу, сам питает себя энергией в огромных количествах. Он готов обеспечивать и непрерывное расширение, и неограниченное производство энергии. И только квантовый распад ложного вакуума кладёт предел этому космическому расточительству (Девис, 1989). То есть история происхождения Вселенной в современной космологии сродни истории, произошедшей с бароном Мюнхгаузеном, когда ему удалось вытащить себя из болота за косу. Но возможно ли такое?
2.2.1 Сколько энергии в вакууме? Теоретические расчёты – вещь серьёзная и важная, но мы живём в мире, где господствует Первый закон термодинамики, который говорит, что ни энергия, ни вещество не могут возникать самопроизвольно. А потому не следует думать, что идея колоссального энергетического потенциала вакуума будет безоговорочно поддержана всеми учёными. Роман Подольный (1933—1990) в своей книге о возникновении Вселенной «Нечто по имени Ничто» по этому поводу пишет: «Идея о грандиозной энергии, содержащейся в вакууме, многим физикам кажется не только недоказуемой сегодня, но и прямо неверной. Большинство специалистов по квантовой теории поля решительно считает такое абсолютно невозможным, и доводы этого большинства звучат очень убедительно. Так, Д. А. Киржниц7 говорит: «Вселенная выглядела бы иначе, будь вакуум резервуаром огромной (не говоря уже – бесконечной) энергии… Академик Я. Б. Зельдович подчёркивает, что если бы энергия вакуума была большой, характер расширения Метагалактики был бы совсем иным, нежели это наблюдается на самом деле. А значит допустимы лишь ничтожно малые значения плотности этой энергии. Хорошо это или плохо с точки зрения энергетического кризиса, но из многих убедительных теоретических работ следует вывод о том, что энергия вакуума вряд ли отлична от нуля. Вакуум во многом загадка, ждать от него стоит многого, но не всего же, что нам нужно» (Подольный, 1983).
2.2.2 Из чего состоит «ничего»? Что же касается того «ничего» из которого согласно инфляционной модели Большого взрыва возникает Вселенная, то здесь необходимо оговориться. Физики, описывающие сценарий зарождения Вселенной, действительно часто пишут, что она рождается из «ничего», однако это слово они берут в кавычки. И не случайно. Пустота, в которой возникает что-то, пуста только в привычном для нас понимании. Если, например, судить по статье американского физика и космолога, профессора Александра Виленкина «Квантовое происхождение Вселенной» (Vilenkin, 1985), на которую ссылаются многие астрофизики, то для возникновения Вселенной необходимы как минимум: квантовая пена (сильно турбулентная, конденсированная среда, где пространство и время сильно искривлены и мощно проявляются квантовые эффекты и эффекты общей теории относительности), гравитационное поле Эйнштейна, поле Хиггса, туннельный эффект и другие физические сущности и законы (Ацель, 2015). Другими словами, «пустота» – это отсутствие классического пространства-времени, но присутствие так называемой «предсуществующей среды».
Разумеется, всё это тоже только теоретическое предположение, о чём не преминул отметить сам автор вышеупомянутой статьи: «Большинство проблем, обсуждаемых в этой статье, относится к „метафизической космологии“, к той ветви космологии, которая не может опираться на непосредственные наблюдения. Это не означает, однако, что такие проблемы не поддаются рациональному анализу: идеи можно проверять по тому, насколько они вписываются в общую картину Вселенной» (Vilenkin, 1985).
Действительно, фактических подтверждений у инфляционной модели Большого взрыва практически нет. Поиск того вакуума, который может произвести Вселенную, успехом не увенчался. Из вакуума, имеющегося в нашем распоряжении (причём в неограниченном количестве), получить ничего не удаётся. Американский учёный Брэд Лемли, обсуждая эту проблему в журнале Discover, пишет: «Квантовая теория утверждает, что вакуум подвержен квантовым неопределённостям. Это значит, что из него могут материализоваться объекты, которым, впрочем, свойственно мгновенно в нём же исчезать… Теоретически, благодаря этой квантовой причуде, которую физики именуют флуктуацией вакуума, может возникнуть всё на свете… Впрочем, с огромной вероятностью возникает лишь пара субатомных частиц… и крайне быстро исчезает. Спонтанное возникновение устойчивого объекта размером хотя бы с молекулу крайне маловероятно. Однако в 1973 г. доцент Колумбийского университета Э. Трайон предположил, что Вселенная могла появиться именно таким образом. Вся Вселенная, по словам А. Гута, может быть «бесплатным завтраком» (Lemley, 2002).
