Виктор Стенджер - Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса

• Название: Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса
• Автор: Виктор Стенджер
• Издательство: Питер
• Жанр: Научпоп
• Год: 2016
• ISBN: 978-5-496-01765-7

На наших глазах фантастика становится реальностью. Новейшие исследования позволяют предположить, что наблюдаемая часть Вселенной — лишь крошечный участок несравненно более обширной и грандиозной Мультивселенной. В этой книге увлекательно и доступно рассказано о формировании современной картины мира, о том, как решительно и болезненно она пересматривалась с развитием науки, о том, какие невероятные горизонты открываются перед космологией, стоит только выйти из плоскости, заданной теорией Большого взрыва и традиционной астрофизикой.

Последняя работа Виктора Стенджера, в которой он фактически подводит итоги своей научной деятельности и жизни, убедительно доказывает, что Мультивселенная могла возникнуть естественным путем, без вмешательства каких-либо высших сил.

---

Далее, по мере дальнейшего охлаждения, симметрия ТВО нарушилась и сильное взаимодействие отделилось от электрослабого взаимодействия. Глюоны отделились от прочих бозонов. К тому моменту Вселенная состояла из всех частиц и античастиц стандартной модели, причем кварки и глюоны формировали сильно взаимодействующую кварк-глюонную плазму, а остальные частицы свободно перемещались вокруг, разбегаясь друг от друга в весьма плотной среде. 

ПРИМЕЧАНИЕ

На большей части временных шкал, которые можно встретить в более ранних книгах и статьях, нарушающие симметрию фазовые переходы изображаются перед инфляцией, поскольку авторы предполагают, что инфлятонное поле представляет собой хиггсовское поле в ТВО (ТВОХ?). Однако это не обязательно так, и эпоха великого объединения и фазовые переходы вполне могли произойти после инфляции, когда уже были частицы, с которыми можно работать. 

10-10 с, 100 ГэВ. Нарушение электрослабой симметрии. С этого момента мы можем делать более точные утверждения, поскольку благодаря экспериментам на ускорителях мы уже понимаем физику, действующую в данных условиях. Примерно в это время электрослабое единство стандартной модели было разрушено, а электромагнитное взаимодействие отделились от слабого ядерного взаимодействия. В результате получились четыре различные силы, которые мы можем наблюдать сейчас: гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействия. Возник бозон Хиггса и придал массу слабым бозонам и лептонам, тогда как массы фотона и глюона остались нулевыми. Таким образом, слабые силы оказались ограничены радиусом около 10–18 м, а электромагнитные силы по-прежнему действовали на бесконечно больших расстояниях. Кварки также приобрели массу по хиггсовскому механизму, но только частично и в основном благодаря сильным взаимодействиям с глюонами, которые сами по себе оставались безмассовыми и были погребены в кварк-глюонной плазме.

Суперчастицы, отошедшие на второй план после нарушения суперсимметрии, приобрели значительные массы, а самая легкая нейтральная суперчастица, возможно, стала темной материей. Но, как мы видим, в этом сценарии еще не появились суперсимметричные частицы, которые ожидалось обнаружить в БАК, так что остается некоторая неопределенность. Видимо, масса суперчастиц слишком велика, чтобы их можно было зафиксировать в этом коллайдере. Придется подождать, чтобы узнать наверняка.

10-6 с, 1 ГэВ. Кварковый конфайнмент. Когда температура Вселенной понизилась примерно до 1 млрд. эВ, кварки и глюоны сформировали нуклоны и множество составных адронов, которые были открыты на ускорителях частиц в 1960–1970-х. Большинство из них оказались очень короткоживущими и распались, остались только протоны и нейтроны со своими античастицами, наряду с электронами, позитронами и фотонами. Все это находилось в квазиравновесном состоянии.

Примерно в то же время антинуклоны и нуклоны аннигилировали, оставив лишь одну миллиардную от первоначального числа протонов и нейтронов. Фотоны и лептоны преобладали.

1 с, 1 МэВ. Синтез легких ядер. Нейтрино рассеялись, образовав космический нейтринный фон. Начали формироваться легкие ядра. Все свободные нейтроны были включены в ядра или разложились на протоны, антинейтрино и электроны.

10 с, 100 кэВ. Аннигиляция позитронов. Позитроны и электроны аннигилировали, оставив лишь один из миллиарда электронов.

3 мин, 25 кэВ. Господство излучений. Ядерный синтез прекратился. Энергетическая плотность фотонов превысила таковую плотность у ядер, и излучения стали преобладать. Вселенная была непрозрачной, поскольку фотоны плавали в заряженной плазме из ядер и электронов, с которыми они взаимодействовали, как это происходит в плотном тумане.

60000 лет, 1 кэВ. Господство материи. Плотность ядер превысила плотность фотонов, и преобладание перешло от излучений к материи. Вселенная остается непрозрачной.

380 000 лет, 700 эВ. Рассеяние фотонов. Формируются атомы (рекомбинация), фотоны рассеиваются, и Вселенная становится прозрачной. Небо ярко-оранжевое и становится краснее по мере того, как Вселенная охлаждается. Начинает накапливаться атомное вещество, а также темная материя.

5 млн. лет, 0,01 эВ. Начинаются Темные века. Вселенная охладилась настолько, что фоновое излучение находится далеко за границами видимого спектра, и небо становится темным.

200 млн. лет, 0,002 эВ. Начинается образование звезд. Формируются первые звезды, и Темные века заканчиваются. Звезды намного больше Солнца и не содержат тяжелых элементов, поэтому они быстро сгорают и получается много сверхновых, которые синтезируют более тяжелые элементы. Излучение сверхновых заново ионизирует пространство и делает его слегка туманным, но даже и близко не настолько, как в Темные века. Свет все еще может проходить насквозь, хотя и несколько приглушается. Активные галактики, например квазары, тоже могли начать формироваться, усиливая ионизирующее излучение.

~1 млрд. лет, 0,001 эВ. Образование галактик. Формируются галактики. В них часто происходят столкновения и есть сверхновые, которые продолжают распространять в космосе тяжелые элементы, которые, в свою очередь, становятся ингредиентами для следующего поколения звезд. Эти звезды менее массивны и горят медленнее, подобно современным звездам. Образование активных галактик замедляется.

~6 млрд. лет, 4∙10-4 эВ. Образование кластеров. Более плотные области начинают сжиматься и образуют всевозможные структуры галактических скоплений и сверхскоплений.

~7 млрд. лет, 4∙10-4 эВ. Начинается ускорение. До этого времени расширение Вселенной замедлялось из-за преобладания материи и излучения, подверженных гравитационному притяжению. Однако их плотность падала, в то время как плотность темной энергии оставалась постоянной. Теперь ее плотность больше остальных, и поскольку ей свойственно отрицательное давление, то расширение Вселенной понемногу начинает ускоряться.

~8 млрд. лет, 3∙10-4 эВ. Появляется привычная Вселенная. Формируются первые спиральные галактики.

9,1 млрд. лет, 3,2∙10-4 эВ. Образуется Солнечная система. Формируются наше Солнце и планеты.

13,8 млрд. лет, 2,6∙10-4 эВ. Настоящее время.

Будущее

Пусть предсказание будущего всегда рискованная задача, мы все же можем задаться вопросом, каким окажется наше будущее, если исходить из имеющихся знаний.

5 млрд. лет спустя. Прощай, Земля. Наше Солнце расходует последнее водородное топливо и становится красным гигантом, испепеляя Землю. В течение следующего миллиарда лет Солнце сжимается до белого карлика.

17 млрд. лет. Слияние. Млечный Путь и туманность Андромеды сливаются.

~40 млрд. лет. Заканчивается формирование структур. Экспоненциальное расширение, вызываемое темной энергией, перекрывает все оставшиеся гравитационные группирующие силы, и формирование структур прекращается.

~100 млрд. лет. Прощайте, другие галактики. Все остальные галактики вышли из зоны видимости Млечного Пути/туманности Андромеды, оставив эту галактику одинокой во Вселенной. В конце концов все оказывается вне зоны видимости всего остального.

~1 трлн. лет. Прощайте, звезды. Оставшиеся звезды начинают вымирать, оставляя после себя черные дыры, нейтронные звезды, бурые карлики и планеты.

1033–1037 лет. Прощай, материя. Протоны и другие тяжелые частицы распадаются, оставляя после себя газ из фотонов, электронов и нейтрино, который продолжает разжижаться вечно.

Никакой тепловой смерти. В главе 5 мы выяснили, что физики XIX века разработали концепцию тепловой смерти, при которой Вселенная должна непременно достичь равновесного состояния максимальной энтропии. Однако они все еще исходили из предположения, что Вселенная представляет собой небесную твердь, тела на которой сохраняют постоянную среднюю удаленность друг от друга. В этом случае энтропия Вселенной имеет свой максимум, который, как нам известно (а им известно не было), равен энтропии черной дыры того же размера.

Но тепловая смерть никогда не наступит. Вместо этого Вселенная продолжит неограниченно расширяться и разовьется до пространства де Ситтера в чистом виде, где любой произвольно взятый участок никогда не достигнет максимальной энтропии. Далее остается возможность, что Вселенная абсолютно замкнута, то есть параметр кривизны k = 1. Разумеется, инфляция предполагает, что Вселенная все еще очень плоская, более чем одна часть 1060, но это возможно и при k = 1, когда Вселенная имеет небольшую положительную кривизну.