КАК ВОЗНИКАЮТ МЕТАГАЛАКТИКИ?
Итак, в соответствии с современными воззрениями, естественно допустить, что Метагалактика возникла при распаде Вселенной в конце стадии раздувания одновременно с другими метагалактиками. Праматерией, из которой возникают вселенные, является вакуум. Можно допустить, что вакуум существует вечно в следующем смысле. Сейчас полностью отсутствуют теоретические или, тем более, экспериментальные основания домысливать, что было, когда не было ничего, в том числе и вакуума. По оценкам, следующим из соображений размерности плотность энергии вакуума чрезвычайно велика сравнительно с земными (или галактическими) масштабами. Эта вакуумная энергия затрачивается на расширение Вселенной, а затем Метагалактики. Она расходуется также на образование новых частиц. Естественно, что все эти процессы сопровождаются фазовыми переходами, происходящими в вакууме. Здесь нужно отметить, что до сих пор рассматривалось рождение Вселенной в результате квантово-механического прохождения возмущения через потенциальный барьер. Нельзя исключить, что в результате распада Вселенной образуются закрытые метагалактики, которые в конце своего существования, когда сжатие сменит расширение, попадут в вакуум, порождая новые метагалактики и вселенные.
Далее полезно сделать одно замечание. Сейчас довольно оживленно дебатируется схема возникновения Метагалактики или Вселенной из «ничего». Нам представляется подобная схема неудовлетворительной. Следует подчеркнуть, что в рамках такой схемы возникает вопрос: как она согласуется с законом сохранения энергии? Очевидно, что энергия «ничего» равна нулю. Обычно, сторонники этой теории отвечают, что в соответствии с теорией относительности, полная энергия закрытой Метагалактики равна нулю, поскольку кинетическая энергия, находящихся в ней частиц, точно компенсируется их энергией покоя, заключенной в массе. Но в любом случае вообразить, что образование таких объектов, как Вселенная или Метагалактика из «ничего» совсем не легко.
СОВРЕМЕННАЯ КОСМОЛОГИЯ И ОПЫТ
Симбиоз моделей раздувающейся и расширяющейся (фридмановской) Вселенной решает проблемы замкнутости современной космологии. Однако принципиально из-за существования горизонта, нельзя непосредственно наблюдать объекты, находящиеся вне Метагалактики. Однако существует сравнительно много косвенных подтверждений следствий модели раздувающейся Вселенной, Остановимся на двух, на наш взгляд, наиболее важных результатах. Эта модель предсказывает, что средняя плотность вещества в Метагалактике: 10-29 г/см. Хотя непосредственные наблюдения свидетельствуют, что это так, однако расчеты устойчивости скоплений галактик показывают, что вещества должно быть, по крайней мере, на порядок больше. Следующая группа доказательств основана на несколько нестандартном подходе и мы рассмотрим его подробнее, поскольку он связан с хорошо изученными закономерностями физики элементарных частиц.
Остановимся вначале на методе рассуждений, а затем подробно рассмотрим один пример. Суть этого подхода основывается на следующей идее. Изменим (разумеется, мысленно) величину одной из фундаментальных постоянных и посмотрим какова будет структура такой воображаемой метагалактики. Оказывается, что подобная вариация фундаментальных постоянных фатально приводит к однозначному результату. Измененная метагалактика становится обедненной отсутствует один (или несколько) из основных элементов, составляющих нашу Метагалактику. Под основными элементами подразумеваются атомные ядра, атомы, молекулы, звезды и галактики. Меньшее изменение фундаментальных постоянных должно обязательно привести к обеднению мира. Более того, оказывается, что существующие в нашей Метагалактике значения фундаментальных постоянных, как правило, являются гигантскими флуктуациями. Тогда возникает собственный вопрос: почему в нашей Метагалактике существует набор фундаментальных постоянных, обеспечивающий многоцветие, сложность ее структуры? Если не выходить за рамки физических представлений, то ответ будет единственным: существует множество метагалактик с разными структурами, более простыми, чем наша Метагалактика. Реализация в ней сложной структуры есть следствие некоего вероятностного закона и является большой флуктуацией. Но существование множества метагалактик — основное следствие модели раздувающейся Вселенной и поэтому приведенные выше рассуждения косвенно подтверждают ее основу. Остановимся далее на одном важном примере.
Атом водорода, состоящий из протона и электрона, абсолютно стабильный элемент, хотя в соответствии с теорией взаимодействий элементарных частиц может произойти превращение прогона и электрона в нейтрон и нейтрино. Подобный коллапс атома водорода не происходит по единственной причине: он запрещен законом сохранения массы (энергии). Суммарная масса протона и электрона меньше массы нейтрона.
Однако достаточно увеличить (разумеется умозрительно) массу электрона более, чем в 2,5 раза, чтобы суммарная масса протона и «утяжеленного» электрона превзошла бы массу нейтрона. И в таком случае коллапс атома водорода был бы неизбежен. Рассмотрим эволюцию Метагалактики, в которой все было бы «по - нашему», исключая утяжеления электрона. С первого взгляда кажется, что последствия подобной гипотезы были бы сравнительно незначительными; в такой Метагалактике отсутствовал бы один химический элемент — водород. Подобный оптимистический взгляд на изменение структуры Метагалактики кардинально неверен.
Дело в том, что в соответствии с современной космологией в Метагалактике существовала эра нейтрального водорода (при 107 лет) и именно в эту эпоху возникают галактики и звезды; в процессе их эволюции образуются тяжелые элементы периодической системы. В Метагалактике с «утяжеленным» электроном весь водород превратится в ней нейтроны и нейтрино, все галактики и звезды будут состоять исключительно из нейтронов и нейтрино. Все элементы периодической системы будут отсутствовать. Возникает образ «нейтронной» Метагалактики. Таково последствие «утяжеления» электрона более чем в 2,5 раза. И далее возникает важнейший вопрос. Велико или мало «утяжеление» электрона в 2,5—3 раза? Чтобы ответить на этот вопрос, целесообразно использовать хорошо установленные экспериментальные данные о распределении элементарных частиц по массам. Оказывается, что более 90 % элементарных частиц имеют массу в тысячу раз превышающую массу электрона. Более того, можно, используя это экспериментальное распределение, оценить вероятность того, что масса одной из частиц будет заключена в интервале (0 - 2,5) • m, необходимом для образования всего «многоцветия» периодической системы. Оказывается, что эта вероятность очень мала; она менее одной миллионной!
Таким образом, малость массы электрона — большая флуктуация в мире элементарных частиц. Этот пример, как и анализ малых изменений других фундаментальных постоянных (констант взаимодействий элементарных частиц, масс протона и нейтрона, размерности пространства), свидетельствует, что структура Метагалактики неустойчива в следующем смысле: эти небольшие изменения приводят к «исчезновениям» одного или нескольких основных элементов Метагалактики: атомных ядер, атомов, звезд и галактик. Сложность структуры Метагалактики находится в строгом соответствии с численными значениями фундаментальных постоянных. Этот факт имеет единственную физическую интерпретацию; существует множество метагалактик, а сложность структуры нашей Метагалактики практически однозначно отбирает численные значения фундаментальных постоянных. Существуют другие метагалактики с измененными значениями этих постоянных. Такие метагалактики имеют более простую структуру, чем наша Система.
Общая астрономия. Далекая Вселенная. Метагалактика
Авторство, источник и публикация:
1. Подготовлено проектом 'Астрогалактика'
2. Автор - И. Л. РОЗЕНТАЛЬ, доктор физико-математических наук
3. Публикация проекта 01.05.2008
