Расширение вселенной и стадия инфляции

Путем анализа данных, полученных от наблюдения за галактиками и реликтовыми излучением, астрономы получили данные о том, как распределяется вещество во Вселенной. Оказалось, что оно однородное и изотропное, а из этого следует, что оно не находится в зависимости от направления и расположения в пространстве.

 Теория относительности гласит, что такая особенность пространства обязательно приводит через некоторое время к изменениям расстояний, которое есть между телами, которые заполняют Вселенную. А это значит, что Вселенная должна либо расти, либо уменьшаться. Современные наблюдения говорят о том, что она расширяется.

Расширение Вселенной

Характер расширения Вселенной не похож на то, как расширяется обычное вещество. Если сравнивать процесс с расширением газа, то газ, когда расширяется, толкает поршень в цилиндре, но размеры самого цилиндра остаются неизменными. Вселенная расширяется по всем направлениям, происходят изменение самого пространства. Из-за этого нельзя сказать, в каком направлении происходит увеличение Вселенной. Утверждение о расширении Вселенной находит подтверждение, исходя из наблюдений над красным смещением, которое находится в галактических спектрах.

Если предположить, что из какой-то точки в пространстве в два разных момента отправляются сигналы в виде световых лучей, которые можно увидеть в другом месте.

Так как размеры Вселенной изменяются, следовательно, изменяются расстояния между точками, откуда был выпущен световой сигнал и где был получен. Естественно, что второй сигнал проходит гораздо большее расстояние. Скорость света всегда имеет одно и то же значение. А значит, второй сигнал будет немного запаздывать. Время между получением сигналов будет немного большим, чем время между их отправлением. Разница во времени будет значительнее, при большей разнице в расстояниях.

Эталоном частоты считается та частота, которое дает излучение во время электромагнитных переходов в таких частицах, как атом. Из-за увеличения размеров Вселенной частота претерпевает изменения. Это влечет следующее, когда происходит наблюдение за спектром излучения галактики, должно наблюдаться смещение линий в красную часть спектра. Такое явление называют эффектом Доплера.

Это смещение можно измерить с помощью соотношения первоначальной частоты к измененному значению. С увеличением расстояния до галактики, за которой ведется наблюдение, увеличивается и частота.

Так, если вести измерение, используя спектры красного смещения, то окажется реальным рассчитать скорости, с которыми галактики удаляются от точки наблюдения. Расстояния до нужной галактики позволяет оценить закон Хаббла.

Закон, по которому происходит разбегание галактик, был выведен, исходя из наблюдений, которые проводились с Земли. По сути, закон описывает то, как удаляются галактики от нашей планеты. Но мы не можем сказать однозначно, что именно наша галактика находится в центре Вселенной. Но закон Хаббла работает для любого наблюдающего за удалением галактик.

Закон Хаббла о расширении означает, что в какое-то время во Вселенной вещество было в условиях, когда плотность была очень высокой. И тот временной период, который отделяет современность от того момента, можно считать возрастом всей Вселенной.

Стадия инфляции Вселенной

Астрофизики 30-х годов уже тогда понимали, что Вселенная имеет свойство расширяться. Это описывает закон Хаббла. Такая особенность означает, что у Вселенной был и момент рождения. Тогда перед астрофизиками появилась задача, они должны были «отмотать назад» все периоды расширения, при этом на каждой стадии должны применяться подходящие законы физики. Так, пройдя весь этот путь к самому началу, должно было прийти понимание того, как это произошло.

Но к 70-м годам все так же оставались нерешенными некоторые вопросы, которые стояли в основе. Все они были связаны с периодом начала существования Вселенной.

• Вопрос о горизонте. Космос имеет фоновое излучение, по нему можно выяснить, что температура во Вселенной находится примерно на одном уровне. Но места скопления галактик не контактировали между собой, тогда каким образом равновесие тепла было установлено по всей Вселенной?
• Вопрос об антивеществе. Если следовать физическим законам, то антивещество и вещество могут существовать во Вселенной. При этом в составе Вселенной все же преобладает вещество, непонятно, почему так могло произойти?
• Вопрос о распрямлении пространства. У Вселенной достаточно энергии и массы, чтобы расширение было остановлено. Как так вышло, что Вселенная обладает именно таким значением массы?

Возникла теория, которая гласила, что вскоре после своего появления Вселенная обладала высокой температурой и плотностью. И вещество в ней представляло лишь раскаленную массу. На тот момент электромагнитным и гравитационным силам соответствовало лишь поле силового взаимодействия. По мере того, как Вселенная расширялась и остывала, в теории это поле разъединилось на разные силы.

В начале 80-х ученый из Америки А. Гут пришел к выводу, что такое разъединение сил стало важной вехой в истории развитии Вселенной. Произошел переход состояний вещества из одной фазы в другую, но это событие имело масштабы Вселенной. Если сравнивать произошедшее с замерзанием воды, то процесс можно было описать так. Молекулы воды с понижением температуры начинают «фиксироваться», из-за этого образуется кристаллическая структура. Появляются сильные взаимодействия, происходит перестройка вещества.

Все знают, что при охлаждении и замерзании вода имеет свойство расширяться. А. Гут доказал, что во Вселенной мог произойти процесс подобный этому – причем расширение могло быть скачкообразным. Именно это расширение получило название инфляционного, его темпы гораздо выше, чем у хаббловского расширения. Такое объяснение и появление инфляционной теории снимало два из трех вопросов, которые волновали ученых.

Вопрос о расширении пространства можно продемонстрировать на примере. Нужно представить эластичную карту, на которую нанесена сетка координат, при этом карта сильно смята. После этого нужно мысленно встряхнуть карту, и она станет снова гладкой. Вернутся на прежнее положение и линии координат, даже если раньше карта была смята очень сильно. Примерно так описывается и процесс, произошедший со Вселенной. Не имеет значения, как сильно было искажено пространство до того, как произошло расширение, самое важно, что к моменту завершения этого процесса произошло распрямление пространства. Если вспомнить теорию относительности, то согласно ей степень кривизны в пространстве находится в зависимости от количества вещества и энергии, содержащихся в нем, то все становится на свои места. Проясняется, почему Вселенная обладает именно той массой, которая находится в равновесии с хаббловским расширением.

Стадия инфляции объясняет и вопрос о горизонте, правда, немного косвенно. Каждое тело испускает излучение, которое находится в зависимости от температуры тела. А это значит, что по спектру, излучаемому далекими участками Вселенной можно определить температуру. Когда эти измерения были проведены, то результаты показали, что во всех точках Вселенной, где проводились наблюдения, температура была одинакова. По хаббловской теории, как только произошел бы Большой взрыв, вещество разлетелось бы на части на слишком большие расстояния. Это не позволило бы уравнять температуру. Теория инфляции говорит о том, что вещество во Вселенной имело более компактный вид, что позволило уравновесить температуру. Это равновесие имеет место по сей день.

Теория, описывающая стадию инфляции, не отвечает на вопрос об антивеществе. Однако этот вопрос может найти ответ в описании других процессов, которые имели место в это время.