С ЧЕГО В С Е НАЧАЛОСЬ Вселенная, которую мы сейчас наблюдаем - это мир "разбегающихся" друг от друга галактик, расширяющаяся Вселенная. Расширение Вселенной предсказал в начале 20-х годов метеоролог и математик А.А.Фридман. Затем оно было открыто Э.Хабблом в 1929 году. В далеком прошлом галактики были расположены намного ближе, чем сейчас. Зная закон расширения Вселенной, можно указать тот момент, когда все вещество было сосредоточено в одной области весьма малых размеров. В зависимости от модели Вселенной и постоянной Хаббла, которую мы знаем неточно, расширение началось 10 - 20 миллиардов лет назад. Что же было в самом начале? Современная теория гравитации и физика элементарных частиц имеют границы применимости. Они могут описывать поведение материи при плотности вещества (или энергии), не превышающей т.н. "планковскую" плотность, равную 10^93 г/см^3. Это значение намного больше, чем плотности всех известных объектов и элементарных частиц во Вселенной. Тем не менее, порядка такой и была плотность Вселенной в возрасте 10^-43 секунд (мы не можем более приблизится к началу расширения по причине ограниченности наших физических теорий). Температура в этот момент также была огромной, порядка 10^32 градусов. Долгое время в литературе употреблялся термин "Большой взрыв". Подразумевалось, что в результате некоторых процессов родилась наша Вселенная в виде горячей области с планковской плотностью и размерами около 10^-4 сантиметров. Затем началось ее расширение и остывание. Однако, в рамках этой, т.н. "стандартной" теории горячей Вселенной, оставалось множество загадок. Это и самые простые вопросы (на которые всегда труднее всего ответить): что или кто дал "первотолчек" к образованию Вселенной, к началу "взрыва", почему мы наблюдаем именно три пространственных измерения + одно временное, что было до начала "Большого взрыва" (т.е. "что было, когда ничего не было")? Есть и более специальные вопросы, на которые стандартная теория не дает удовлетворительного ответа. Почему геометрия Вселенной так близка к "плоской", особенно в самом начале расширения? Почему современная масса Вселенной (порядка 10^55 грамм) на много порядков превышает единственный параметр массы в релятивистских теориях тяготения - планковскую массу (порядка 10^-5 грамм)? Необъяснимой в рамках стандартной теории остается и высокая степень однородности реликтового излучения (однородно с точностью до 10^-5), приходящего из разных частей неба. Ведь размеры Вселенной сейчас увеличиваются пропорционально времени в степени 2/3, тогда как информация о состоянии различных областей пространства распространяется пропорционально времени в первой степени со скоростью порядка скорости света. Следовательно, если какие-то области пространства сейчас причинно не связаны (так говорят, если информация из одной области не могла передаться в другую, двигаясь даже со световой скоростью), то они и не могли быть причинно связанными и раньше, не могли ничего "знать" друг о друге. Посему и столь странна та точность, с которой однородно реликтовое излучение, приходящее из совершенно независимых областей пространства. На этот и многие другие вопросы помогла ответить теория раздувающейся, "инфляционной" Вселенной. Она дополняет теорию "Большого взрыва", объясняя причины его начала. Начнем с вопроса, как ведет себя Вселенная, в которой вообще нет вещества? Такая Вселенная заполнена вакуумом - наинизшим энергетическим состоянием физических полей. Однако, сам вакуум может обладать ненулевой энергией. По предположению космологов, ранняя Вселенная была заполнена именно таким вакуумом. Свойства такой Вселенной удивительны. При определенных условиях вакуум обладает антигравитационными свойствами. Соседние точки пространства отталкиваются друг от друга с силой, увеличивающейся с ростом расстояния между ними. Модель такой Вселенной еще в 1917 г. построил голландский астроном В. де Ситтер. Он показал, что расстояние между любыми двумя точками в такой Вселенной увеличивается экспоненциально по времени, т.е. происходит быстрое увеличение, раздувание первоначально микроскопической Вселенной. Это помогает разрешить многие противоречия, характерные для стандартного сценария эволюции Вселенной. Как же возникло такое особое состояние вакуума? Современная физика пока не может дать точный ответ, что происходит при плотностях, больших планковской. Сами понятия пространства и времени изменяются и становятся непривычными. Неотъемлемым свойством материи являются квантовые флуктуации. Дело в том, что длины всех предметов непрерывно изменяются случайным образом, флуктуируют. Изменение это столь мало (порядка планковской длины, 10^-33 см), что недоступно измерению приборами. Совсем иное значение имеют квантовые флуктуации в ранней Вселенной, где характерная плотность 10^94 г/см^3, и сам размер мира порядка 10^-33 см. Квантовые флуктуации оказываются столь большими, что невозможно в принципе измерять расстояния между двумя точками. При этом трудно ввести и само понятие времени. Время, введенное обычным способом как параметр, входящий в различные эволюционные уравнения, может при этом изменять свой знак, становиться отрицательным или мнимым. Пространство и время могут меняться местами. Невозможно ввести понятия причины и следствия. Такое состояние материи называют "пространственно - временной пеной". Как показывают уравнения квантовой космологии, существует большая вероятность того, что из состояния пространственно - временной пены Вселенная переходит в то, когда ее размеры начинают быстро увеличиваться. В одном из вариантов инфляционной теории плотность энергии вакуума зависит от температуры. Пока температура высока, "пустота" Вселенной обладает большим запасом энергии (находится в состоянии т.н. "ложного вакуума"). Это обеспечивает экспоненциальный рост размеров Вселенной. В результате расширения температура падает. Предполагаемые свойства этого вакуума таковы, что при уменьшении температуры ниже определенной величины вакууму становится энергетически выгодно находиться в другом состоянии, в котором плотность его энергии близка к нулю. При этом соблюдается закон сохранения энергии, и потерянная вакуумом энергия идет на образование вещества в виде элементарных частиц и разогрев этой новорожденной среды. Так в пустой до этого Вселенной появляется вещество. Вселенная с веществом ведет себя совсем не так, как заполненная первичным вакуумом. Вещество обладает обычными гравитационными свойствами. Своим притяжением оно "сдерживает" бурное расширение пространства. При этом экспоненциальный рост размеров Вселенной меняется на более медленный, степенной. Расширение тормозиться со временем. Дальнейшее объяснение эволюции Вселенной дает стандартная теория. Весь процесс экспоненциального раздувания занимает "микроскопическое" время. Начавшись на 10^-43-й секунде от рождения мира, экспоненциальное раздувание заканчивается примерно на 10^-37 секунде. Однако, за это время размер раздувшейся области увеличивается примерно в 10^10 000 000 раз! Даже расстояние до горизонта Вселенной (порядка 10^28 см) больше наименьшей, планковской длины (порядка 10^-33 см) "всего" в 10^61 раз. Заметим, что информация может прийти к нам лишь из весьма ограниченной области пространства, охваченного расширением. Находясь на достаточном удалении, области пространства при экспоненциальном расширении разбегаются друг от друга со сверхсветовыми скоростями, и не могут обмениваться информацией. Посему мы скорее всего не узнаем, что происходит за пределами огромной расширяющейся области, в которой наша "каноническая" Вселенная - лишь маленькая точка. При огромных температурах и энергиях, существовавших в тот момент, три вида взаимодействия (сильное, слабое и электро-магнитное) из четырех известных сейчас не различались между собой. Их переносчиками (аналогично тому, как фотоны являются переносчиками электромагнитного взаимодействия) были очень тяжелые частицы. Сейчас существует несколько теоретических схем, согласно которым частицы эти по мере остывания Вселенной распадались на барионы (протоны, нейтроны) и антибарионы. Однако, на барионы они распадались немного "охотнее", в результате чего появился избыток вещества над антивеществом. Этот избыток мы и видим сейчас как обычное вещество, окружающее нас. Антивещества в нашем мире, по видимому, нет. Оно полностью взаимоуничтожилось с равным количеством вещества - аннигилировало, превратившись в кванты электромагнитного излучения. Это излучение остыло в ходе расширения и дошло до нас в виде фонового электромагнитного (или "реликтового") излучения. Сейчас во Вселенной на 1 барион приходится около миллиарда квантов реликтового излучения. Это означает, что количество вещества в ранней Вселенной превышало количество антивещества всего на одну миллиардную долю! Из этого крохотного остатка и образовался тот величественный мир, который мы наблюдаем. Это еще одна иллюстрация того, что современная картина Вселенной - лишь слабый отголосок тех грандиозных процессов, которые происходили сразу после ее рождения. Дальнейшая судьба "Вселенной из вещества", т.е. той, которую мы можем наблюдать и сейчас, зависит от ее современной плотности. Если плотность Вселенной больше, чем т.н. критическая плотность (ее значение определяется через постоянную Хаббла и фундаментальные константы), то расширение спустя порядка десятка миллиардов лет сменится сжатием. Еще через несколько десятков миллиардов лет Вселенная придет к почти первоначальному состоянию со сверхвысокой плотностью. Затем процесс разлета вещества может повториться вновь и т.д. Если же плотность меньше или равна критической, то расширение Вселенной никогда не сменится сжатием, и эволюционные процессы будут постепенно замедляться. По прошествии порядка сотни миллиардов лет погаснут все звезды. Медленный распад вещества - нуклонов - приведет к его исчезновению примерно через 10^32 лет. За время порядка 10^100 лет "испарятся" и окончательно исчезнут все возможные черные дыры, существующие во Вселенной. Можно сказать, что к этому времени Вселенная будет представлять из себя унылую пустыню, заполненную лишь разреженной электрон - позитронной плазмой и нейтрино. В любом случае будущее Вселенной не очень-то оптимистично. Таким образом, картина возникновения Вселенной проясняется вплоть до стадии пространственно-временной пены. А нельзя ли задаться вопросом, предшествовало ли что-нибудь и ей? Конечно, о более ранних моментах можно лишь рассуждать, помня, что современные теории не позволят провести какие-либо наблюдения по их проверке. Существует, однако, несколько теоретических схем, подкупающих своей красотой. Так, в 1986 г. русский физик А.Д.Линде предложил сценарий т.н. хаотической инфляции. В ней учитываются флуктуации энергии вакуума на той ранней стадии эволюции, когда они еще велики и сравнимы с самой энергией вакуума. В результате флуктуаций энергия может либо возрасти, либо сильно уменьшиться. Выделим некоторый объем пространства и рассмотрим его эволюцию. Флуктуации происходят случайно, поэтому примерно в половине объема области энергия вакуума возрастает и в половине уменьшается. Эти области ведут себя по-разному. В тех областях пространства, где из-за сильных флуктуаций энергия вакуума уменьшается почти до нуля, расширение "тормозится" и вклад таких областей в общий объем Вселенной невелик. Те же области, где энергия вакуума увеличилась, продолжают свой быстрый экспоненциальный рост. В результате получается, что большинство объема Вселенной займут те области, где плотность энергии вакуума близка к планковской. В целом же Вселенная в такой модели очень неоднородна. В ней должны соседствовать области с разными значениями энергии, что приводит к появлению пограничных "стенок", которые были бы непременно замечены, если бы мы находились неподалеку от них. Но, скорее всего, они находятся так далеко от нас, что мы никогда не сможем их обнаружить. В результате эволюции каждой из "высокоэнергичных" областей появляются условия для возникновения вещества и Вселенной типа нашей. При этом Вселенная в этой модели воспроизводит сама себя, постоянно увеличивая число областей, которые могут и дальше расти, раздуваться. Процесс этот бесконечен во времени. Возможно также, что он не имел и начала. От идеи "первотолчка", поиска начала, наука вновь обратилась к идее бесконечной во времени, всегда существующей Вселенной. Но при этом размер Вселенной - это уже не расстояние до горизонта (10^28 см, то расстояние, которое свет шел к нам на протяжении времени жизни нашей области Вселенной, 10 - 20 миллиардов лет). Вселенная в данной модели представляет из себя набор областей, большинство из которых (по объему) - гигантские "пузыри" размером порядка 10^10 000 000 наподобие того, что породил нашу область Вселенной. При этом Вселенная ,в основном, оказывается заполненной вакуумом с высокой энергией вакуума, и обычные в нашем понимании области, заполненные веществом, могут образоваться в результате эволюции небольших частей таких "пузырей". В принципе, и жизнь нашего типа может возникать в такой Вселенной бесконечное число раз. Заметим, что из сверхплотного состояния вакуума необязательно должна возникнуть Вселенная именно с нашим типом пространства (3 пространственные измерения + 1 временное) и набором фундаментальных констант, присущих нашему миру (например, зарядами частиц, гравитационной постоянной, и т.п.). Скорее всего, число измерений пространства и времени, а также значения фундаментальных постоянных могут быть произвольными. Однако в большинстве таких миров в принципе не сможет возникнуть жизнь. Для этого необходимо, чтобы элементарные частицы, образующие вещество во Вселенной, были стабильными, не распадались, чтобы могли возникнуть сложные структуры (галактики, звезды, планеты) и т.д. Если Вселенная будет непригодна для жизни, то и обнаружить себя в ней разумные существа не смогут. Рассуждения такого типа называются антропным принципом. Антропный принцип в простейшей формулировке гласит, что наш мир таков потому, что в другом мы просто не смогли бы существовать и себя обнаружить. В применении к стандартному сценарию "Большого взрыва", где рассматривается единственная Вселенная, принцип вызывает вопрос, каким образом происходит "подстройка" числа измерений пространства-времени и значения фундаментальных констант под нужное, допускающее возникновение разумной жизни. В рамках сценария "хаотической инфляции" появляется возможность выбора пригодной для жизни Вселенной из их бесконечного набора. Итак, за последнее время размеры Вселенной существенно увеличились. Правда, красивые гипотезы и теории могут так и остаться лишь плодами воображения, недоступными экспериментальной проверке. Сами же исходные теоретические положения (такие, например, как конечность скорости света) ограничивают возможности эксперимента. Так, если даже существуют другие Вселенные, мы все равно не сможем принять от них сигнала из-за горизонта нашей Вселенной. Теория инфляционной Вселенной еще не приобрела законченной, общепринятой формы. Ее многочисленные варианты также сталкиваются с некоторыми трудностями. Несомненно, повлияет на нее установление природы скрытой массы. Инфляционная теория не противоречит результатам измерений флуктуаций реликтового излучения, выполненным со спутников "Реликт-1" и "COBE". Вся Вселенная в целом становится "экспериментальным полигоном" современных космологических теорий. Меняются представления человека о Вселенной, меняются и вопросы, которые он задает себе. Вопросы описательного характера ("что", что находится в окружающем нас мире) на следующей стадии познания сменились вопросами о связях между различными предметами и явлениями ("как"). Теперь же все чаще человек задает вопросы "Почему мир устроен так, а не иначе?",