Единая теория поля: Философский анализ современных проблем физики элементарных частиц и космологии. Опыт синергетнческого осмысления - Минасян Л.А.
ISBN 5-4S4-G0179-X
Скачать (прямая ссылка):
Из решений уравнений Фридмана вытекает существование в прошлом Вселенной особенной точки — сиінулярности, согласно чему в момент времени t - 0 вся материя должна быть сконцентрирована с огромной плотностью р-осс температурой большей LO19 ГэВ в одной точке. Таким образом, предполагается существование в прошлом Вселенной плотной и горячей фазы, — эпохи «большого взрываж Однако существовала и альтернативная згой
90
Глава 2
точка зрения, согласно которой Вселенная эволюционировала из сулерхолод-ного состояния. В 1965 году американскими радиоастрономами А. Пензиасом и R В. Вилсоном был зарегистрирован радиошум на длине волны 7,35 см, эквивалентная температура которого лежит в диапазоне от 2,5-3,5 К. Пибблз предложил теоретическое обоснование полученных результатов- Он показал, что Вселенная на ранних этапах должна была быть заполнена излучением огромной температуры и очень коротких длин волн, обеспечивающих нужную скорость протекания ядерных реакций, соответствующих современному состоянию Вселенной. Излучение это должно было выжить в процессе расширения Вселенной, вследствие которого температура его должна постепенно понижаться, так что сегодня мы регистрируем «реликтовое» излучение как раз той температуры, которую предсказывает теория.
Существование реликтового излучения было предсказано еще в 1948 году Г. Гамовым, Р. Алъфером и Р. Херманом при развитии ими на основании фридмановской модели Большого взрыва теории нуклеосинтеза. Таким образом в космологии утверждается второй этап ее развития, знаменуемый уточнением онтологии расширяющейся Вселенной фактом существования в ее прошлом эпохи Большого взрыва.
Благодаря открытию реликтового излучения в космологии было получен экспериментальный результат, давший ученым основание для следующего утверждения: «То, что вещество Вселенной было в прошлом сверхплотным и горячим, установлено надежно и пересмотру не подлежит, как и теория расширяющейся Вселенной» [101. С. 111], Однако теория горячей Вселенной на повестку дня выдвинула ряд космологических проблем, решение которых стимулирует научный поиск по сей день.
И первая в зтом ряду -— проблема о сингулярном начале Вселенной. В 1970 году Хокингом и Пенроузом [109. С. 364] были доказаны теоремы, показывающие, что в рамках фридмановских моделей должна существовать в прошлом Вселенной сингулярная точка, в которой в начальный момент времени t = 0 плотность материи должна равняться бесконечности.
Следующие проблемы — это проблема значения космологической постоянной Л; проблема плоскостности Вселенной; проблема крупномасштабной однородности и изотропности Вселенной; проблема ее мелкомасштабной неоднородности; проблема горизонта; проблема барионной асимметрии Вселенной. Рассмотрим эти проблемы подробнее.
Проблема плоскостности. Следствием астрономических наблюдений является вывод о том, что галактики удаляются с относительными скоростями, прямо пропорциональными расстоянию, разделяющими галактики. Закон расширения Хаббла позволяет оценить критическую плотность Вселенной, Обсуждаемая проблема плоскостности состоит в том, что в плаиковский момент времени Вселенная имела плотность с фантастической точностью равной критической (то есть скорость отрыва галак-
На пути построения единой теории поля
91
тики от некоторого центра в точности равна скорости галактики, задаваемой законом Хаббла). Если бы плотность была бы чуть больше критической (на 10"55^V ), то к настоящему времени Вселенная давно сколлапси-
ровала (это модель замкнутой Вселенной). Если бы плотность Вселенной в планковский момент времени была меньше (на 10"55 ), то современная плотность вещества во Вселенной была бы исчезающе малой, и зарождение жизни во Вселенной было бы невозможным, т е. космологические теории должны объяснить, почему начальные условия оказались такими, что Вселенная смогла дожить до настоящего времени.
Проблема крупномасштабной однородности и изотропности Вселенной. Существуют надежные свидетельства (по регистрации фонового реликтового излучения) о том, что Вселенная в крупных масштабах, превосходящих размеры галактик, т. е. порядка 1023м, чрезвычайно однородна и изотропна.
Проблема мелкомасштабной неоднородности Вселенной. Уже в
начале эволюции должны существовать значительные «затравочные» неоднородности плотности, чтобы впоследствии возникли галактики. При этом важно своевременное появление требуемых возмущении в надлежащем масштабе и с надлежащей плотностью, достаточной для образования галактик, но при этом не настолько большой, чтобы вызвать катастрофический гравитадионный коллапс с образованием черных дыр.
Проблема горизонта. В простейшем случае размер горизонта Вселенной принимается равным et, где с — скорость света, t — время существования Вселенной, Изучение реликтового излучения показывает, что Вселенная была с большой точностью однородна и изотропна в масштабах, превышающих ct. Объяснение этого факта, учитывая, что причинно-несвязанные области, превышающие размер горизонта, никак не могут воздействовать друг на друга, называют проблемой горизонта.
