Абсолютна сингулярность

Всесвiтня сингулярность або стан близьке до неï, про чорну дiру. На
вiдмiну вiд чорний дiр, якi мають масу, рiвну масi великоï зiрки;
тепер же мова йде про сингулярности, що мiстить всю масу Всесвiту. Але
крiм цього є ще одна фундаментальна вiдмiннiсть. У випадку
сколлапсировавшей зiрки був обрiй подiй, у центрi якого мiстилася
сингулярность; iншими словами, чорна дiра перебувала десь у нашому
Всесвiту. У випадку всесвiтньоï чорноï дiри вiдразу ж
виникають труднощi — несли весь наш Всесвiт сколлапсировала в
чорну дiру, значить всю речовину й простiр зникли в сингулярности, тобто
не залишиться нiчого, у чому можна було б перебуває — не
буде Вселеноï
Бiльше того, у випадку всесвiтньоï чорноï дiри (може бути,
вiрнiше буде сказати, квазичерной дiри) не можна бути впевненим у тiм,
що маєш справу iз щироï сингулярностью.
Але навiть якщо сингулярности не було, залишається питання, що
було ранiше, набагато ранiше. Один з вiдповiдей на нього може виглядати
так: ранiше був iнший Всесвiт, що сколлапсировала, перетворившись або
майже перетворившись у сингулярность, з якоï потiм виник наш
Всесвiт. Можливо, що такi колапси й вiдродження вiдбувалися
неодноразово. Таку модель називають осциллирующей моделлю Всесвiту
Подивимося тепер, коли вiдмовляє загальна теорiя вiдносностi; це
вiдбувається через 10(-43) з послу початку вiдлiку часу (iнтервал,
називаний план- ковским часом). Це саме той момент, коли задер гивается
завiса; пiсля нього у Всесвiтi панує пiдлога ний хаос, але за
допомогою квантовоï теорiï ми можемо хоча б грубо уявити собi,
що там вiдбувалося
Ранiше вже згадувалося про точку зору Стивена Хокинга, вiдповiдно до
якоï на самiй раннiй стадiï розвитку Всесвiту утворювалися
маленькi чер ние дiри; вiн також довiв, що цi чорнi дироч ки
випаровуються приблизно через 10(-43) с. Звiдси випливає, що пiсля
закiнчення цього iнтервалу часу у Всесвiтi iснувала дивна пiна iз чорних
дiр. Спiвробiтник Чиказького унiверситету Девид Шрамм так виразився iз
цього приводу: …Ми прихо дим до подання про простiр-часу як про
пiну iз чорних мiнi-дiр, якi раптово появля ются… ре комбiнують i
утворяться заново. У цей момент простiр i час були зовсiм не схожi на
теперiшнi — вони не володiли непрерив ностью. Ця пiна являла собою
по сутi справи сумiш простору, часу, чорних дiр i нiчого, не зв'язаних
один з одним. Про такий стан ми знаємо дуже мало.
Температура в момент, про яке мова йде, зi ставляла приблизно 10(32) ДО
— цiлком достатньо для утворення часток. Частки можуть
утворюватися Подивимося тепер, коли вiдмовляє загальна теорiя
вiдносностi; це вiдбувається через 10(-43) з послу початку вiдлiку
часу (iнтервал, називаний план ковским часом). Це саме той момент, коли
задер гивается завiса; пiсля нього у Всесвiтi панує пiдлога ний
хаос, але за допомогою квантовоï теорiï ми можемо хоча б грубо
уявити собi, що там вiдбувалося. Ранiше вже згадувалося про точку зору
Стивена Хокинга, вiдповiдно до якоï на самiй раннiй стадiï
розвитку Всесвiту утворювалися маленькi чер ние дiри; вiн також довiв,
що цi чорнi дироч ки випаровуються приблизно через 10(-43) с. Звiдси
випливає, що пiсля закiнчення цього iнтервалу часу у Всесвiтi
iснувала дивна пiна iз чорних дiр. Спiвробiтник Чиказького унiверситету
Девид Шрамм так виразився iз цього приводу: …Ми прихо дим до
подання про простiр-часу як про пiну iз чорних мiнi-дiр, якi раптово
появля ются… ре комбiнують i утворяться заново. У цей момент
простiр i час були зовсiм не схожi на теперiшнi — вони не володiли
непрерив ностью. Ця пiна являла собою по сутi справи сумiш простору,
часу, чорних дiр i нiчого, не зв'язаних один з одним. Про такий стан ми
знаємо дуже мало.
Температура в момент, про яке мова йде, зi ставляла приблизно 10(32) ДО
— цiлком достатньо для утворення часток. Частки можуть
утворюватися двома способами. У першому випадку при досить високiй
енергiï (або, щось же саме, при високiй температурi) народжуються
електрони i ïхньоï античастини ци — це так зване
народження пар. Наприклад, при температурi 6 мiльярдiв градусiв
столкнове ние двох фотонiв може дати пари електрон — пози трон.
При ще бiльш високих температурах можуть народжуватися пари протон
— антипротон i так далi; у цiлому, чим важче частка, тим бiльша
енергiя потрiбно для ïï народження, тобто тим вище повинна
бути температура Ранiше ми бачили, що є й другий спосiб обра
зования пара часток — вони можуть з'являтися вiдразу ж за
обрiєм подiй чорних мiнi-дiр пiд дейст вием приливних сил. Ми
також говорили про те, що при випарi чорних мiнi-дiр народжувалися зливи
часток, а оскiльки всесвiтня чорна дiра подiбна до мiнi-дiри, там
вiдбувалося те ж саме
Отже, є два способи народження часток. Який же з них варто вважати
бiльше важливим? На думку ас-1трономов, основна маса часток утворилася
за рахунок наявностi високих енергiй, тому що тiльки на самому ранньому
етапi приливнi сили були настiльки вели ки, щоб приводити до народження
часток у значитель них кiлькостях. Однак багато чого ще тут неясно, i
згодом може виявитися, що другий метод також грає iстотну роль
Короткий перiод часу, що випливає непосредст венно за моментом 10(-
43) з, звичайно називають кван товой епохою
У цю епоху всi чотири фундаменталь них взаємодiï були
об'єднанi. Незабаром пiсля моменту 10(-43) з єдине поле
розпалося, i вiд нього вiддiлилася перша iз чотирьох сил. Пiзнiше по
очере ди вiддiлилися iншi сили, якi змiнювалися по величинi. Зрештою
вийшли чотири знако мих нам взаємодiï
Роздування
Однi iз труднощiв, на яку натрапляє традицiйна теорiя Великого
вибуху, — не обходи мость пояснити, звiдки береться колосальне
коли чество енергiï, що вимагається для народження часток. Не
дуже давно увага вчених залучила видоизме ненная теорiя Великого вибуху,
що пропонує I вiдповiдь на це питання. Вона зветься теорiï
раз дувания й була запропонована в 1980 роцi спiвробiтником
Массачусетского технологiчного iнституту Аланом Гутом. Основна
вiдмiннiсть теорiï роздування вiд тра диционной теорiï
Великого вибуху полягає в описi перiоду з 10(-35) до 10(-32) с. По
теорiï Гута приблизно через 10(-35) iз Всесвiт переходить у стан
псевдовакуума, при якому ïï енергiя винятково велика. Через це
вiдбувається чрез вичайно швидке розширення, набагато бiльше
швидке, чим по теорiï Великого вибуху (воно називається раз
дуванием). Через 10(-35) з послу утворення Всi ленна не мiстила нiчого
крiм чорних мiнi-дiр i обривкiв простору, тому при рiзкому раз дувании
утворився не один всесвiт, а множест в, причому деякi, можливо, були
вкладенi друг у друга. Кожний з дiлянок пiни перетворився у вiд дiловий
всесвiт, i ми живемо в однiй з них. Вiд сюди треба, що може iснувати
багато iнших всесвiтiв, недоступних для нашого спостереження
Хоча в цiй теорiï вдається обiйти ряд труднощiв
традицiйноï теорiï Великого вибуху, вона й сама не вiльна вiд
недолiкiв. Наприклад, важко объяс нитка, чому, почавшись, роздування
зрештою припиняється. Вiд цього недолiку вдалося освобо диться в
новому варiантi теорiï роздування, появив шемся в 1981 роцi, але в
ньому теж є своï труднощi
Епоха адронiв
Через 10(-23) iз Всесвiт вступив в епоху адро новий, або важких часток.
Оскiльки адрони участву ют у сильних взаємодiях, цю епоху можна на
кликати епохою сильних взаємодiй. Температура була досить висока
для того, щоб образовива лисiй пари адронiв: мезони, протони, нейтрони й
т.п., а також ïхньоï античастинки. Однак на зорi
цiєï епохи температура була занадто висока, i важкi частини
ци не могли iснувати у звичайному видi; вони при сутствовали у виглядi
своïх складових — кваркiв. На даному етапi Всесвiт майже
повнiстю складався iз кваркiв i антикваркiв. Зараз вiльнi квар ки не
спостерiгаються. Iз сучасних теорiй треба, що вони потрапили в мiшки i
не можуть ïх покинути. Однак деякi вченi вважають, що десь ще
повиннi залишитися кварки, що дiйшли до нас iз тих далевi ких часiв.
Можливо, вони настiльки ж численнi, як атоми золота, але поки виявити
ïх не вдалося. Вiдповiдно до цiєï теорiï, пiсля
того як тим пература досить упала (приблизно через 10(-6) с), кварки
швидко зiбралися в мiшки. Такий процес зветься кваркадронного переходу.
У той час Всесвiт складався в основному з мезонiв, нейтро новий,
протонiв, ïхнiх античастинок i фотонiв; крiм того, могли бути
присутнiм бiльше важкi частки й не багато чорних дiр. При цьому на кожну
частку доводилася античастинка, вони при зiткненнi аннигили ровали,
перетворюючись в один або кiлька фотонiв. Фотони ж, у свою чергу, могли
утворювати пари часток, у результатi чого Всесвiт, поки пари пик далися
й анiгiлювали приблизно з однаковоï ско ростью, перебувала в
рiвноважному станi. Однак у мiру розширення температура падала й
народжувалося усе менше й менше пару важких часток. Поступове число
аннигиляции перевищило число народжень, i в результатi майже всi важкi
частки зникли. Якби число часток i античастинок було в точностi
однаково, то вони зникли б повнiстю. Насправдi це не так, i свiдчення
тому — наше суще ствование.
Нарештi температура впала настiльки, що пари важких часток уже не могли
народжуватися. Енергiï вистачало лише для утворення легких часток
(лепто новий). Всесвiт вступив в епоху, коли в нiй содер жалися в
основному лептони i ïх античастинки
Епоха лептонiв
Приблизно через соту частку секунди пiсля Великого вибуху, коли
температура впала до 100 милли ардов градусiв, Всесвiт вступила в епоху
лептонiв. Тепер вона походила на густий суп з випромiнювання (фотонiв) i
лептонiв (в основному електронiв, по зитронов, нейтрино й антинейтрино).
Тодi також на блюдалось теплова рiвновага, при якому елек трон-
позитроннi пари народжувалися й анiгiлювали приблизно з однаковою
швидкiстю. Але крiм того, у Всесвiтi перебували оставшиеся вiд епохи
адро новий у невеликих кiлькостях протони й нейтрони — приблизно
по одному на мiльярд фотонiв. Однак у вiльному станi нейтрони через 13
хв распа даються на протони й електрони, тобто вiдбувався ще один
важливий процес — розпад нейтронiв. Правда, температура на початку
цiєï епохи була ще достаточ але висока для народження
нейтронiв при зiткненнi електронiв iз протонами, тому рiвновага сохра
нялось. А от коли температура впала до 30 миллиар дов градусiв,
електронам уже не вистачало енергiï для утворення нейтронiв, тому
вони розпадалися в бiльшi кiлькостях Ще одна важлива подiя епохи
лептонiв — разде ление й звiльнення нейтрино. Нейтрино й анти
нейтрино утворяться в реакцiях за участю протонiв i нейтронiв. Коли
температура була досить ви соку, всi цi частки були зв'язанi мiж собою,
а при зниженнi температури нижче певного критичного значення вiдбувся
ïхнiй подiл, i всi частки вiльно розлетiлися в простiр. У мiру
розширення Всесвiту ïхня температура па дала доти, поки не досягла
значення близько 2 ДО. Дотепер виявити цi частки не вдалося
Епоха випромiнювання
Через кiлька секунд пiсля Бiльшого вибуху, коли температура становила
близько 10 мiльярдiв градусiв, Всесвiт вступила в епоху випромiнювання.
На початку цiєï епохи було ще досить багато лепто нове, але
при зниженнi температури до 3 мiльярдiв градусiв (граничного значення
для народження пар леп тонiв) вони швидко зникли, випустивши безлiч фо
тонiв. У той час Всесвiт складався майже повно стью з фотонiв
В епоху випромiнювання вiдбулася подiя виключи тельной важливостi
— у результатi синтезу образо валось перше ядро. Це саме та подiя,
що намагався пояснити Гаморiв; про нього мова йшла ранiше. Приблизно
через три мiнути пiсля початку вiдлiку часу, при температурi бiля
мiльярда градусiв, Всесвiт уже досить охолонув для того, щоб
столкнувшиеся протон i нейтрон з'єдналися, обра зовав ядро
дейтерiю (бiльше важкого рiзновиду водню). При зiткненнi двох ядер
дейтерiю про разовивались ядра гелiю. Так за дуже короткий час,
приблизно за 200 хв, близько 25 % речовини Всесвiту перетворилося в
гелiй. Крiм того, пре обертання водню в гелiй вiдбувається в
надрах зiрок, але там утвориться лише близько 1 % всiєï маси
гелiю. У цю епоху виникли також iншi елементи: небагато тритiю й лiтiю,
але бiльше важкi ядра обра зоваться не могли. Оскiльки всi, про що тут
iшла мовлення, природно, ставиться до областi теорiï, чита тель
вправi засумнiватися: а чи не так це в дiйсно сти? Видимо, так, адже
теорiю прекрасно погодиться зi спостереженнями, тому ïй можна
довiряти. Напри мiр, вiдповiдно до цiєï теорiï гелiй
повинен становити близько 25 % речовини у Всесвiтi, що пiдтверджує
ся спостереженням