Занимательная астрофизика

Это «раздувание» происходило по экспоненциальному закону (типа е^х), т. е. развивалось подобно тому, как растут в мире цены в соответствии со скоростью инфляции. Поэтому иногда «раздувающуюся» Вселенную называют «инфляционной» Вселенной. В этот период мог произойти фазовый переход от состояния «ложного вакуума» с огромной плотностью к состоянию «истинного вакуума» с нулевой или очень малой плотностью, при котором родилось огромное количество реальных частиц и античастиц.

Согласно теории, плотность «ложного вакуума» в «раздувающейся» Вселенной в точности равна критической. Поэтому и плотность вещества, возникшего в результате его распада, также должна быть равна критической плотности.

Что же касается однородности и «проблемы горизонта», то и она получает в теории вакуума вполне естественное объяснение. До начала «раздувания» Вселенной внутри общего горизонта в близких точках должна была установиться одинаковая температура. Но в период «раздувания», как показали расчеты, за очень короткий промежуток времени все пространственные размеры возросли примерно в 10⁴³ раз. Благодаря этому близкие точки оказались стремительно разнесенными на огромные расстояния друг от друга. Расстояния, которые действительно превосходили бы расстояние горизонта видимости в том случае, если бы Вселенная все время расширялась в темпе, близком к современному.

Есть и еще одна проблема, связанная с прошлым и настоящим нашей Вселенной. Поскольку современная Вселенная в больших масштабах однородна, следовательно, была однородной и та горячая плазма, которая заполняла все пространство в период, предшествующий образованию небесных тел.

Однако эта однородность не могла распространяться на все без исключения масштабы. В этом случае образование небесных тел и их систем было бы невозможно и современная Вселенная целиком состояла бы из нейтрального газа, в который абсолютно однородная плазма неизбежно должна была бы превратиться по мере расширения и остывания.

Планеты, звезды, космические туманности, галактики, скопления и сверхскопления галактик могли образоваться лишь при условии, что в первичной плазме существовали неоднородности.

Как показывают расчеты, основанные на данных астрономических наблюдений, масса подобных неоднородностей должна была достигать 10¹⁵ солнечных масс. Именно таковы массы современных скоплений галактик. Что же касается различия между плотностью вещества неоднородностей и средней плотностью окружающей среды, то она должна была составлять десятые или сотые доли процента.

Итак, горячая плазма была не совсем однородной — в ней чередовались сгущения и разрежения. Но именно такая картина наблюдается в веществе, когда в нем распространяются звуковые волны. Следовательно, на одном из ранних этапов расширения в горячей плазме существовали звуковые волны и, видимо, это обстоятельство в значительной степени предопределило будущую структуру нашей Вселенной. По образному выражению советских астрофизиков — И. Новикова и В. Лукаша — «вся нынешняя структура Вселенной является своеобразным отзвуком, эхом тех звуковых волн, которые сопровождали начало расширения Вселенной, является раскатами тех громов, которые звучали тогда»[23]).

В тот момент, когда появился реликтовый звук, в очень плотном расширяющемся веществе протекали квантовые процессы. В этих условиях волновые явления характеризуют квантами или квазичастицами. Квазичастицы звуковых волн называются фононами. Чем больше амплитуда звуковых колебаний, тем большее число фононов приходится на каждое колебание.

Как показали расчеты, проведенные И. Новиковым и В. Лукашем, скорость звука в очень плотной первоначальной среде составляла около 0,6 скорости света, а частота колебаний была очень низкой. Что же касается амплитуды колебаний, т. е. числа фононов, то их в этот период было совершенно недостаточно для образования таких сгущений, из которых могли бы сформироваться скопления галактик.

Однако в дальнейшем, из-за происходивших изменений давления сверхгорячего вещества и вызванного ими изменения темпа расширения, число фононов резко увеличивалось и соответственно возрастала амплитуда звуковых колебаний. Благодаря этому уже могли возникать неоднородности, достаточные для образования скоплений галактик.

По всей вероятности, усиление слишком малых для образования галактик хаотических первичных неоднородностей, случайным образом возникавших в горячей плазме, происходило в результате работы особого физического механизма, получившего название параметрического резонанса.

Сущность этого явления состоит в усилении волн, попадающих в «такт» изменениям параметров системы. Нечто аналогичное происходит, когда, раскачиваясь на качелях, мы приседаем в такт их качаниям. Размах колебаний при этом возрастает.