Якби зірки було видно тільки з одного місця Землі,
туди б приходило більше паломників, ніж будь-куди
Римський філософ Сенека.
Відповідно до загальної торії відносності (ЗТВ), на якій базуються рішення Фрідмана, Всесвіт міг мати особливу точку - сингулярну. Сингулярність від латsingularis - окремий, особливий. Але було неясно: чи випливає з ОТО, що у Всесвіті повинно було бути початок часу - великий вибух?
Йому вдалося математично довести, що при стисненні зірки під дією власних сил гравітації, вона обмежується областю, поверхня якої стискається до нуля. А раз поверхня цієї області стискається до нуля, то ж саме відбувається і з її обсягом. Все речовина зірки буде зібране в нульовому обсязі, так що її щільність і кривизна простору-часу стануть нескінченними. Іншими словами, виникне сингулярність в якійсь області простору-часу, яку назвали «чорною дірою» [1].
Теорема Пенроуза ставилася до зірок, і в ній нічого не говорилося про те, чи відчула Всесвіт в минулому великий вибух? Якщо великий вибух був, то повинно бути і початок часу!
За вирішення цього питання взявся Стівен Хокінг. Він застосував теорему Пенроуза по відношенню до Всесвіту, змінивши напрямок часу на зворотне, так, щоб стиск перейшло в розширення. По теоремі Пероуза кінцевим станом будь колапсуючої зірки повинна була стати сингулярність. При зверненні часу ця теорема стверджує, що в моделі Фрідмана початковим станом Всесвіту теж повинна бути сингулярність. Хокінг вів в теорему Пенроуза в якості умови вимога, щоб Всесвіт була нескінченної в просторі. Йому необхідно було довести, що сингулярність повинна існувати за умови, що Всесвіт розширюється досить швидко, щоб не почався повторний стиснення.
Подальшу роботу Хокінг і Пенроуз продовжили спільно. У 1970 році вони, виходячи із загальної теорії відносності, довели, що у Всесвіті мала бути сингулярна точка, і, отже, був початок часу. З їх докази випливало, що ОТО являє собою неповну теорію, так як в ній немає відповіді на питання: як виник Всесвіт, тому що всі фізичні теорії, і вона сама порушуються в точці виникнення Всесвіту [2].
Передбачивши наявність точки сингулярності, в якій щільність стає нескінченною (в разі чорних дір і в разі великого вибуху), ОТО сама передрекла свою поразку.
Отже, теорія підтвердила наявність великого вибуху, в результаті якого виник наш Всесвіт.
У 1930-ті роки серед вчених розглядалася модель холодної Всесвіту, в якій речовина існувало у вигляді холодних нейтронів. Однак, як з'ясувалося пізніше, в такому Всесвіті в результаті ланцюжка ядерних реакцій (з утворенням протона, дейтерію і т. Д.) Все речовина, в кінці кінців, перетворилося б на гелій. Це суперечить спостереженнями, оскільки переважна частина речовини Всесвіту складається з водню.
У 1948 році російський вчений Георгій Гамов запропонував модель гарячого Всесвіту, розширивши ідею Фрідмана про те, що первинне речовина була не тільки дуже щільним, але і дуже гарячим [3].
З огляду на, що розширюється Всесвіт продовжує охолоджуватися, можна екстраполювати її температуру назад в часі. Це і було зроблено. Виявилося, що в момент вибуху Всесвіт був нескінченно щільною і гарячої, у вигляді вогняної кулі.
Треба сказати, що Георгій Гамов, видатний російський фізик і астрофізик, який співпрацював з Ейнштейном, Дираком, Ландау, в 1933 році, емігрував в США, через що був позбавлений звання академіка АНСССР і все інших регалій. Навіть в наукових роботах його ім'я було заборонено і на його роботи не можна було посилатися. Після перебудови заборони з приводу Гамова були зняті, і всі наукові регалії йому повернуті, але посмертно.
Ідея гарячого Всесвіту Гамова полягала в тому, що в гарячому і щільному речовині ранньому Всесвіті відбуваються ядерні реакції, і в цьому ядерному котлі за кілька хвилин синтезуються всі хімічні елементи. Це не зовсім так, бо, як з'ясувалося пізніше, в цьому ядерному котлі синтезуються тільки легкі елементи, а елементи важче гелію синтезуються в зірках.
На думку Гамова, речовина вогненної кулі була однорідною гарячу плазму, що складається, в основному, з електронів і протонів, рясно перемішаних космічним випромінюванням.
Дійсно, при підвищенні температури до декількох сотень градусів розпадаються молекули, а при подальшому її зростанні поступово руйнуються ядра. Експерименти показали, що при температурі близько 3000 градусів Кельвіна електрони відриваються від ядер, які приблизно при мільярді градусів розпадаються на протони й електрони (збірно, нуклони). З наближенням до трильйона градусів нуклони розбиваються на свої елементарні складові - кварки.
Щоб зрозуміти склад вогненної кулі, треба знати, що відбувається при високоенергічних зіткненнях частинок. Саме з цією метою створюються прискорювачі елементарних частинок - колайдери. У коллайдерах частинки, спрямовані назустріч один одному, розганяються майже до швидкостей, близьких до швидкості світла і при зіткненнях виникають незвичайні явища. Наприклад, дві частинки при зіткненнях змінюють свій тип, і можуть породити цілий феєрверк з десятка нових частині, що розлітаються з точки зіткнення. Прекрасне підтвердження того, що енергія і маса взаімообратімості [4].
Щось подібне, на думку дослідників, відбувалося і в перші частки секунди після великого вибуху. У ранньому Всесвіті частки безупинно стикаються один з одним, і вогненна куля наповнюється усіма типами частинок, які тільки можуть бути створені в цих зіткненнях.
Сьогодні у Великому адронному колайдері (ВАК) під Женевою в результаті зіткнення зустрічних потоків протонів отримано стан праматері-легка кварк-глюонна плазма, яка, на думку дослідників. відповідає стану Всесвіту через10 -34 секунди після великого вибуху. Вчені майже наблизилися до епіцентру акту творення.
Це безмассового стан праматері вчені сподіваються наділити масою. Це станеться, якщо вдасться отримати протони й електрони. Поки цього не сталося, хоча за рахунок зіткнення іонів свинцю дослідники зуміли отримати стан Всесвіту через 10 -11 секунди після Великого вибуху, тобто набагато пізніше. Це-безмасові важка кварк-глюонна плазма. Але матерії поки немає.
Зверніть увагу. про яких мізерно малих проміжках часу йде мова. Справа в тому, що формування Всесвіту і відбувалося за малі проміжки часу. Усе найголовніше укладається в першу секунду.
І цей надзвичайно малий проміжок часу, за який, в основном¸ була сформована наша Всесвіт, вчені умовно розбили на так звані «епохи».
За сучасними уявленнями ми спостерігаємо сьогодні Всесвіт виник приблизно 13,5-14 млрд. Років тому в результаті Великого вибуху і з тих пір безперервно розширюється і охолоджується.
Ми вже знаємо, що теорія великого вибуху і гарячого Всесвіту не дає ніяких пояснень того, що передувало цьому моменту, але вона і не заперечує можливість існування чого-небудь до вибуху.
Відповідно до теорії Фрідмана в початковий момент часу відстань між сусідніми галактиками повинно було дорівнювати нулю, а щільність і кривизна Всесвіту повинні були бути нескінченними.
Рівняння Фрідмана можна використовувати для визначення температури і щільності вогняної кулі в будь-який момент часу. Наприклад, через одну секунду після Великого вибуху температура становить 10 мільярдів градусів, а щільність - близько 1 тонни на кубічний сантиметр. Але до однієї хвилині Всесвіт вже повинна бути сформована. І оскільки точка сингулярності існує, і великий вибух був, то, значить, було і початок часу.
А далі вчені, грунтуючись на ОТО, буквально по частках секунди (названі «епохами») представили теоретично процес формування Всесвіту.
При цьому Планка температура плазми 10 32 К, а Планка щільність 10 93 г / см 3. Всесвіт в цей момент однорідний і ізотропний; є геометрично плоскою. Під час планковской епохи за припущенням вчених гравітаційна взаємодія відокремилося від інших фундаментальних взаємодій.
Інфляційна епоха (інфляції - це роздмухування) починається через 10 -35 с. після Великого вибуху і тривати до 10 -32 с. Вона характерна збільшенням розміру Всесвіту в 10 100 разів (за розрахунками Лінде). У Всесвіті, заповненої випромінюванням, починають утворюватися кварки і гіперонів. Ось цей стан і зуміли змоделювати вчені на БАК.
Епоха електрослабкої взаємодії розташована між 10 -32 і 10 -12 с. Електромагнітні і слабкі взаємодії поки що об'єднані в єдине електрослабкої взаємодія. За рахунок високих енергій утворяться деякі важкі частинки, зокрема, бозони. За припущеннями вчених, саме в цей момент повинен з'явитися бозон Хіггса, який з'єднає кварки і глюони в протони, наділивши їх масою. Зауважимо, що на БАК стан первоматерии отримання при 10 -35 с. і 10 -11 с після великого вибуху, але бозона Хігса поки немає.
Епоха кварків розташовується між 10 -12 і 10 -6 с. Електромагнітне, гравітаційне. сильно і слабке взаємодії формуються в сучасному вигляді, але оскільки температури і енергії ще занадто великі кварки поки не групуються в адрони. Адрони- частки, що у сильних взаємодіях. наприклад, протони.
Епоха адронів настає між 10 -6 і 1 с. після великого вибуху. Кварк-глюонна плазма охолоджується, і кварки починають групуватися в протони і нейтрони. Приблизно через 1 с. повинні були вивільнитися нейтрино і почати вільно рухатися в просторі.
Треба мати на увазі, що температура Всесвіту хоча і знижувалася від епохи е епосі, але була ще надзвичайно висока. Так, через 0, 1 сек. після початок розширення температура була близько 30 млрд. К. а через секунду після вибуху вона становила 10 млрд. градусів.
Епоха нуклеосинтеза розташована між 1 секундою і 3-ма хвилинами після великого вибуху. Інтенсивно утворюються нуклони, які представляють собою протони і нейтрони, іншими словами - ядра. За час цієї епохи утворився первинний склад зоряної речовини: близько 25% гелій, 4% дейтерій, сліди важких елементів, решта - водень.
Приблизно через 380 000 років, коли температура Всесвіту досягла значення 4000 К, стали утворюватися атоми. Зі стану плазми, непрозорою для електромагнітного випромінювання, матерія перейшла в газоподібний стан. З цього моменту Всесвіт стала прозора для випромінювання.
Космолог Джозеф Сілк у своїй книзі «Великий Вибух» пише про те, що протягом перших 380 000 років після Великого Вибуху спостерігати ранній Всесвіт було чи не простіше. ніж виглядати щось в густому тумані. Тобто, щільність Всесвіту була надзвичайно великою, і прозорою вона стала, коли щільність і температура впали до такого рівня, що змогла утворитися матерія [5].
Випромінювання, що їх давніше казали Гамовим, практично перестало взаємодіяти з речовиною, воно як би відділилося від нього і стало еволюціонувати незалежно.
Еволюція речовини призвела до утворення того складного, різноманітного Миру, в якому ми живемо. А випромінювання, яке згодом назвали реліктовим, продовжувало рівномірно заповнювати весь простір, тільки щільність і температура його з розширенням Всесвіту зменшувалася.
3. Ейнштейн А. Збірник наукових праць. Т.I-IV. Наука, 1966.