Сингулярний стан Всесвіту

Нестаціонарний розв'язок рівнянь ЗТВ, вперше отриманий математиком О.О.Фрідманом (Санкт Петербург, 1922-24 роки), продовжений у минуле, теоретично дає стан Всесвіту нескінченної густини матерії. За таких умов утворюється ситуація, яка вже не піддається описанню ЗТВ (через квантові ефекти при певній критичній густині ).

Отже, на початку розширення (t0>0) Всесвіт перебував в особливому (критичному) стані, коли вся його речовина і величезна енергія були стиснуті буквально до однієї точки, сконцентровані у гранично малому об'ємі. Густина і температура матерії тоді були дуже високі. Цей фізичний стан Всесвіту дістав назву сингулярності.

Яка найбільш можлива густина, пов'язана з сингулярністю? Вважають, що ця стала побудована з основних світових констант. ЇЇ можна отримати методом розмірності.

Оцінимо величину комбінуючи три відомі константи: гравітаційну сталу , швидкість світла і сталу Планка . Нехай , де - сталі числа, що належить визначити. Легко бачити, що розмірності світових констант такі: , , і . Відтак , або і . Зрівнюючи показники степенів з однаковими основами, маємо систему рівнянь

Розв'язавши її, отримуємо: . Тобто найдопустиміша в природі густина матерії може бути г/см3.

Що було до сингулярності? Чи передував їй стиск Всесвіту? Чи плин часу був таким самим непереривним, як зараз? Остаточної відповіді на ці питання поки що немає. Проте більшість вчених вважають, що ніякого стиску перед цим не було (див. далі), а космологічна сингулярність є початком плину часу в тім розумінні, як сингулярність у чорних дірах є кінцем сучасних потоків часу.

При густинах с>с0 змінюється сам сенс понять простору, часу, стану тощо. Простір і час, зокрема, набувають квантовий, дискретний характер, у принципі змінюються поняття «раніше» і «пізніше», «тривалості», «протяжності». В таких ситуаціях питання про те, що було до сингулярності, стають некоректними, неправильно сформульованими, хоча ці висновки не підкріплені безпосередньо експериментом.

Розглянемо докладніше стан сингулярності, як його уявляє собі сучасна наука. Отож в масштабах 3·10-44с за часом і 10-33см у просторі (межі яких досягнула теорія) існує своєрідна суміш квантів простору-часу (їх квантові флуктуації), які народжуються і тут же зникають. Це мікроскопічне «кипіння» простору й часу в певному розумінні аналогічне народженню і вмиранню віртуальних частинок. Можливо, так само народжуються і непомітно зникають маленькі віртуальні світи й віртуальні чорні і білі діри. Не виключена можливість, що при великих енергіях і дуже малих масштабах простір має не три, а більше вимірів, також квантується.

За надвисоких густин, властивих сингулярності, загальна теорія відносності вже не діє, бо вступають у силу і діють квантові ефекти. Відповідно до існуючих уявленнь межами застосування ЗТВ є щойно вказані часовий інтервал (порядку 10-43с)., просторова протяжність (порядку 1,6·10-33см) і густина с0. Згідно з цим робляться спроби створення квантово-релятивістської гравітаційної теорії і квантової космології. Дістала дальший розвиток єдина теорія поля, започаткована А.Ейнштейном. Нові відділи теоретичної фізики й космології включають у себе всі фундаментальні взаємодії, а отже, їх безрозмірні константи. Ці останні залежать від маси-енергії (мається на увазі співвідношення Е=mc2) взаємодіючих частинок. Зі збільшенням мас константи двох сусідніх взаємодій зрівнюються. Це призводить до зникнення різниці між цими взаємодіями - вони об'єднуються. Так при масі 100 ГеВ (1015К) зливаються в одну - електрослабку взаємодію - слабка й електромагнітні фундаментальні взаємодії. Для великого об'єднання і його симетрії (тут охоплені однією моделлю слабка, електромагнітна і сильна взаємодії) потрібна маса 1015 ГеВ (1028 К), а для супероб'єднання (до великого об'єднання ще добавляється гравітація) - 1019 ГеВ (1032 К), недосяжна для сучасної техніки.

Якщо енергія частинок перевершує 1019 ГеВ, вступає в права єдина універсальна взаємодія і частинки постійно перетворюються одна в одну. Час їх існування визначається співвідношенням невизначеностей Гейзенберга , де (m - маса частинки) і - похибки в одночасному вимірюванні енергії і часу. Отож вони існують як короткоживучі збудження квантових полів, що переносять енергію, імпульс, заряд між елементарними частинками при їх взаємодії. Позаяк енергії частинок дуже великі, то час їх існування дуже малий. Суміш таких мікрооб'єктів утворює т. зв. фізичний вакуум. При зменшенні середньої енергії частинок єдина перед цим взаємодія розпадається на дві, а частинки розділяються відповідно на ферміони (в них півцілі спіни ) і бозони (цілий спін ), кварки (їх тепер шість) і глюони (кванти міжкваркових взаємодій), лептони ( і відповідні їм нейтрино) та адрони (баріони та мезони), електрозаряджені та нейтральні частинки, фотони та ін..

Позаяк фізичний вакуум чинить від'ємний тиск, то він міг на певній стадії еволюції спричинити дуже швидке (за експоненціальним законом) розширення Всесвіту, тобто гравітаційне релятивістське притягання могло змінитися на відштовхування, але вже в інший зовнішній світ. Стадія спаду числових значень параметрів фізичного стану Всесвіту, викликаного цим ефектом, закінчилася тоді, коли на певному етапі порушились умови Великого об'єднання і утворились адрони з кварків.

Коли Всесвіт був об'єктом квантовим і гравітуючим, тобто багатовимірним і планківським, у ньому відбувалися флуктуації метричних властивостей і числа розмірностей простору. Ці флуктуації під час розширення Всесвіту відокремлюються і фіксуються, причому частина з них як розмірності простору-часу,а інша частина (просторових розмірностей) проявляє себе як відповідні фізичні поля. Твориться розподіл між речовиною і полем.

Ці ідеї досі перебувають у стадії розвитку і поглибленого усвідомлення.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   Загрузить   След >