Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство

Для дальнейшего имеет большое значение еще одна планковская единица, единица плотности. Плотностью, как известно, называется отношение массы к объему. Взяв соответствующие цифры, написанные выше, легко убедиться в том, что планковская единица плотности, переведенная в отношение граммов к кубическим сантиметрам, потрясающе велика. Она равна 5 1093 г/см3. Эта плотность намного превышает плотность вещества внутри ядер атомов или плотность внутри нейтронных звезд. Эта плотность играет, однако, важную роль в попытках выяснения физических процессов, протекающих в начале фридмановского расширения Вселенной, когда все вещество и вся энергия были спрессованы в ничтожно малом объеме.

Только спустя половину века стало ясно, что планковские единицы действительно указывают пределы применимости известных нам законов природы. Теория, способная работать внутри этих малых границ, не создана до сих пор. Однако вскоре после окончания второй мировой войны ученые начали шаг за шагом приближаться к этим рубежам.

Большой взрыв

Для того чтобы получить какие-либо сведения о процессах, происходивших во Вселенной на ранних стадиях фридмановского расширения, нужно было перейти от кинематического описания к динамическим закономерностям, учитывающим силы, действующие на вещество, закономерностям, определяющим преобразования энергии и видоизменения вещества.

Такую попытку сделал в 1946 году Г. Гамов. Он опирался на термоядерные реакции, которые, как еще в 1940 году установил Г. Бете, порождают энергию, излучаемую Солнцем и другими звездами. Он исходил из исследований строения ядер и из свойств элементарных частиц, известных в то время.

Гамов предположил, что толчком к фридмановскому расширению было неустойчивое состояние, при котором масса, образованная всеми элементарными частицами, была сжата до огромных плотностей и находилась при колоссальной температуре. Он не пытался объяснить, как возникло такое состояние. Но он считал, что при огромном давлении и температуре частицы одного сорта постоянно превращались в частицы других сортов и возникали вновь так, что каждый сорт был в равновесии с другими.

Гамов назвал процесс, положивший начало фридмановскому расширению, Большим взрывом и предположил, что дальнейшее расширение происходило в соответствии с гипотезой Фридмана.

Для того чтобы эта гипотеза превратилась в теорию нужно было проанализировать дальнейшую эволюцию материи, расширяющейся после Большого взрыва.

Решающий шаг был сделан в 1948 году, когда Р. А. Альфер, Бете и Гамов построили первую модель ранней Вселенной, то была умозрительная модель, попытка наполнить конкретным физическим содержанием теорию расширяющейся Вселенной Фридмана. Такое утверждение может показаться кощунственным в отношении Фридмана и в отношении Эйнштейна, но слово «конкретным» в предыдущей фразе делает ее полностью соответствующим действительности. Ведь Общая теория относительности, теория тяготения Эйнштейна оперирует только общими понятиями «материя», «энергия» и «пространство — время». В уравнениях Общей теории относительности присутствуют только общие количественные характеристики: масса, объединяющая массу вещества и массу энергии, и параметры, связывающие кривизну «пространства — времени» с распределением массы в пространстве. Для этой теории не существенно, в каком виде присутствуют материя и энергия, определяющие структуру «пространства — времени». Естественно, что подобной общностью обладает и решение Фридмана.

До работ Гамова и его сотрудников в ходу были звучные, но не наполненные содержанием высказывания о том, что в начале фридмановского расширения Вселенная была «первичным атомом» или каплей ядерной жидкости.

Гамов, Альфер и Бете исходили из первоначальной гипотезы Гамова о том, что в начальный период своего существования Вселенная была заполнена чрезвычайно плотным однородным газом. Он состоял из всех известных в то время элементарных частиц, находящихся в тепловом равновесии с излучением при очень высокой температуре и взаимодействующих между собой посредством полей (электромагнитного и гравитационного), тоже находящихся в тепловом равновесии между собой и с элементарными частицами. Авторы сознательно избегали обсуждение вопроса: была ли Вселенная вначале сосредоточена в точке? Они начинали свой анализ с того момента, когда Вселенная занимала малый, но не бесконечно малый объем. Предполагалось, что этот газ с самого начала заполнял все пространство и расширялся вместе с ним. Они считали, что все известные законы физики не изменяются со временем и действовали с самого начала расширения Вселенной.