6. Синергетическое видение эволюции вселенной. Историзм физических объектов. Физический вакуум как исходная абстракция в физике

Космология, наука об эволюции Вселенной, очень молодая наука. Хотя космологические построения являлись сердцевиной многих учений, начиная с древности, все они являются предысторией научной космологии. Лишь создание общей теории относительности Эйнштейна в 1916 году открыло новую строго научную эру развития этой дисциплины. Современный же этап ее истории свидетельствует о полном слиянии двух, в прошлом различных, отраслей знания — космологии и физики элементарных частиц, в одну науку. Так что рассматриваемые в космологии модели эволюции Вселенной — не досужие домыслы фантазеров, а модели, которые еще должны прорабатываться, дополняться, но в рамках которых видится возможность для решения как известных космологических проблем, так и проблем физики элементарных частиц.

Современная космология рассматривает в качестве одного из наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной, в рамках которого удается решить большинство космологических проблем, сценарий, включающий инфляционную стадию. Основная идея инфляционной теории состоит в том, что расширение Вселенной и весь последующий ход ее эволюции рассматриваются из состояния, когда вся материя была представлена только физическим вакуумом. Вакуум нашей Вселенной обладает вполне конкретными свойствами, определившими характер взаимодействий, специфику явлений, протекающих в нашем мире, размерность пространства, в котором мы живем. Возможно, наша Вселенная — это лишь мини-Вселенная, обитаемый островок, на котором возникла жизнь нашего типа. Инфляция (от лат. inflatio) означает «вздутие». Инфляционная стадия предполагает процесс вздутия Вселенной. При этом вакуум той эпохи Вселенной — «ложный» вакуум. Он отличается от истинного вакуума (считается, что истинный вакуум — это состояние с наинизшей энергией) тем, что обладает огромной энергией. Квантовая природа наделяет «ложный» вакуум стремлением к гравитационному отталкиванию, обеспечивающему его раздувание. Этот «ложный» вакуум представляет собой симметричное, но энергетически невыгодное, нестабильное состояние, что на языке физики означает стремление его к распаду. Эволюция Вселенной предстает в контексте инфляционной теории как синергетический самоорганизующийся процесс. Если встать на точку зрения модели Вселенной как замкнутой системы, то процессы самоорганизации могут быть рассмотрены в ней как взаимодействие двух открытых подсистем — физического вакуума и всевозможных микрочастиц и квантов полей. Считается, что в процессе расширения из вакуумного суперсимметричного состояния Вселенная разогрелась до «большого взрыва». Дальнейший ход ее истории пролегал через критические точки — точки бифуркации, в которых происходили спонтанные нарушения симметрии исходного вакуума. В эти моменты энергия из вакуума перекачивалась в энергию тех частиц и полей, которые из вакуума же и рождались. Причем ход этой эволюции, выбор путей дальнейшего развития в моменты бифуркаций оказался именно таким, что в результате появилась жизнь нашего типа.

Как отмечалось выше, противопоставление между двумя видами материи, изучаемых физикой, между веществом и полем, выливается в противопоставление между бозе-частицами и ферми-частицами. Предполагается в рамках моделей Суперобъединения, что это различие проявилось во вполне определенный момент в процессе эволюции Вселенной через 10^-43 секунд с момента взрыва, когда температура упала ниже критического значения T₁ ≈ 10¹⁹ ГэВ. То есть при температуре ниже Т₁ проявляется различие видов материи по спинам; при температурах выше Т₁ это различие должно сниматься. При температурах, больших Т₁, предполагается такое состояние материи, которое совпадало бы с понятием единого суперполя, рассматриваемого как целое, в котором моменты его дальнейшего развития еще не вычленены, вследствие чего все возможные в будущем взаимодействия представляют собой одно. По достижении Т₁ и ниже, можно констатировать разделение согласно классической терминологии, материи на вещество и поле соответственно по спинам. Иными словами, происходит саморасчленение единой субстанции на две противоположности — вещество и поле, а также расчленение единого суперполя единого взаимодействия на два — гравитационное и единое взаимодействие Великого объединения.

Следующий этап в эволюции Вселенной — это симметрия Великого объединения, симметрия между различными частицами с полуцелыми спинами. Речь здесь идет о тождестве между кварками и лептонами. При температурах, больших второго критического значения температуры (следующей точки бифуркации в эволюции) Т₂ за счет существования квантов поля Великого объединения Х-бозонов, способных превращать кварки в лептоны, и наоборот, различие между цветными кварками и бесцветными лептонами нивелируется. Однако при достижении T₂ ≈ 10¹⁵ ГэВ примерно через 10^-35 секунд с момента взрыва происходит спонтанное нарушение симметрии вакуума, вследствие чего Х-бозоны приобретают массу, и симметрия Великого объединения нарушается до симметрии SU(3), отвечающей сильным взаимодействиям, и симметрии SU(2) • U(l), отвечающей электрослабым взаимодействиям. Это момент самодвижения Вселенной, в которой проявляется такая качественная определенность у кварков, как цветовой заряд, что приводит к различному поведению кварков и лептонов в последующие эпохи. Вселенная представляет собой в период после второй критической точки кварк-глюонный мешок; другим аспектом этого момента является симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействиями. Именно на этом витке в истории Вселенной происходят несимметричные распады массивных Х-бозонов, при этом частиц вещества рождается немного больше, чем частиц антивещества. Впоследствии вещество аннигилирует с антивеществом, превращаясь в γ-кванты. Избыток вещества и составит в последующем строительный материал. из которого рождаются звезды, звездные скопления и галактики. Так что наша Вселенная оказывается построенной из вещества. Но при этом она заполнена реликтовым излучением, возникшим вследствие аннигиляции вещества и антивещества. Существование реликтового излучения было предсказано еще в 1948 году Г. Гамовым, Р. Альфером и Р. Херманом на основании фридмановской модели эволюции Вселенной. В 1964 году американскими радиоастрономами А. Пензиасом и Р. Вилсоном был зарегистрирован радиошум, который оказался шумом, соответствующим реликтовому излучению. Излучение это должно было выжить в процессе расширения Вселенной, вследствие которого температура его должна была постепенно понижаться и на сегодняшний день составлять примерно 3 градуса Кельвина.

Следующая критическая точка в районе температур Т₃ ≈ 10²ГэB приводит к спонтанному нарушению симметрии электрослабого взаимодействия, что обнаруживается нами как различие между электромагнитным и слабым взаимодействием. При этом W⁺, W^-, Z⁰-бозоны приобретают массу. В районе температур Т₄ ≈ 1 ГэВ нарушается так называемая киральная симметрия, что приводит к фрагментации кварков и глюонов на отдельные области — протоны и нейтроны.

Дальнейшая эволюция Вселенной приводит к возникновению водорода, гелия, ионизованного газа, звезд, звездных скоплений,галактик и т.д.

Спонтанное нарушение симметрии вакуума выражается в том, что он отдает энергию на рождение микрообъектов, на приобретение ими масс и зарядов, вследствие чего плотность энергии вакуума уменьшается примерно на. 120 порядков и после всех этих качественных скачков становится равной 0.

Современное развитие физики выработало новый взгляд на природу физических объектов, который можно было бы охарактеризовать как целостно-синергетический. Можно сказать, что основным объектом изучения физики становится единая неделимая самоорганизующаяся Вселенная. Вакуум рассматривается как конкретно-всеобщая часть ее, обеспечивающая самоорганизующиеся процессы ее эволюции. Следует подчеркнуть определяющую роль физического вакуума в современной физической теории. Выделенность вакуума, его особая роль в космологических процессах возникновения я развития физического мира позволяет рассматривать его в качестве исходной абстракции в теоретической физике. Именно физический вакуум принимает непосредственное участие в формировании и качественных и количественных свойств физических объектов. Такие свойства, как спин, масса, заряд, проявляются именно во взаимодействии с определенным вакуумным конденсатом вследствие перестройки вакуума в результате спонтанного нарушения симметрии, что вносит коррективы в представление об историзме физических объектов. Ибо любой физический объект со своими характеристиками рассматривается в современной теории как момент, элемент космологической эволюции Вселенной.