Основные космологические модели Вселенной

1. Основные космологические модели Вселенной

Современная физика рассматривает мегамир как систему, включающую все небесные тела, диффузную (диффузия – рассеяние) материю, существующую в виде разобщенных атомов и молекул, а также в виде более плотных образований – гигантских облаков пыли и газа, и материю в виде излучения.

Космология – наука о Вселенной как едином целом. В Новое время она отделяется от философии и превращается в самостоятельную науку. Ньютоновская космология основывалась на следующих постулатах:

·        Вселенная существовала всегда, это «мир в целом» (универсум).

·        Вселенная стационарна (неизменна), изменяются только космические системы, но не мир в целом.

·        Пространство и время абсолютны. Метрически пространство и время бесконечны.

·        Пространство и время изотропны (изотропность характеризует одинаковость физических свойств среды по всем направлениям) и однородны (однородность характеризует распределение в среднем вещества во Вселенной).

Современная космология основана на общей теории относительности и поэтому ее называют релятивистской, в отличие от прежней, классической.

В 1929 г. Эдвин Хаббл (американский астрофизик) обнаружил явление «красного смещения». Свет от далеких галактик смещается в сторону красного конца спектра, что свидетельствовало об удалении галактик от наблюдателя. Возникла идея о нестационарности Вселенной. Александр Александрович Фридман (1888 – 1925) впервые теоретически доказал, что Вселенная не может быть стационарной, а должна периодически расширяться или сжиматься. На первый план выдвинулись проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста. Следующий этап исследования Вселенной связан с работами американского ученого Георгия Гамова (1904-1968). Стали исследоваться физические процессы, происходившие на разных стадиях расширения Вселенной. Гамов открыл «реликтовое излучение». (Реликт – остаток далекого прошлого).

Существует несколько моделей Вселенной: общим для них является представление о ее нестационарном, изотропном и однородном характере.

По способу существования – модель «расширяющейся Вселенной» и модель «пульсирующей Вселенной».

В зависимости от кривизны пространства различают – открытую модель, в которой кривизна отрицательна или равна нулю, в ней представлена незамкнутая бесконечная Вселенная; замкнутую модель с положительной кривизной, в ней Вселенная конечна, но неограниченна, безгранична.

Обсуждение вопроса о конечности или бесконечности Вселенной породил несколько так называемых космологических парадоксов, согласно которым, если Вселенная бесконечна, то она конечна.

1. Экспансионный парадокс (Э.Хаббл). Принимая идею бесконечной протяженности, приходим к противоречию с теорией относительности. Удаление туманности от наблюдателя на бесконечно большое расстояние (согласно теории «красного смещения» В.М.Слайфера и «эффекта Допплера») должно превышать скорость света. Но она является предельной (по теории Эйнштейна) скоростью распространения материальных взаимодействий, ничто не может двигаться с большей скоростью.

2. Фотометрический парадокс (Ж.Ф.Шезо и В.Ольберс). Это тезис о бесконечной светимости (при отсутствии поглощения света) неба согласно закону освещенности любой площадки и по закону возрастания числа источников света по мере возрастания объема пространства. Но бесконечная светимость противоречит эмпирическим данным.

3. Гравитационный парадокс (К.Нейман, Г. Зеелигер): бесконечное число космических тел должно приводить к бесконечному тяготению, а значит к бесконечному ускорению, что не наблюдается.

4. Термодинамический парадокс (или так называемая «тепловая смерть» Вселенной). Переход тепловой энергии в другие виды затруднен по сравнению с обратным процессом. Результат: эволюция вещества приводит к термодинамическому равновесию. Парадокс говорит о конечном характере пространственно-временной структуры Вселенной.

2. Эволюция Вселенной. Теория «Большого взрыва»

С глубокой древности и до начала XX века космос считали неизменным. Звездный мир олицетворял собой абсолютный покой, вечность и беспредельную протяженность. Открытие в 1929 году взрывообразного разбегания галактик, то есть быстрого расширения видимой части Вселенной, показало, что Вселенная нестационарна. Экстраполируя этот процесс расширения в прошлое, ученые сделали вывод, что 15-20 миллиардов лет назад Вселенная была заключена в бесконечно малый объем пространства при бесконечно большой плотности («точка сингулярности»), а вся нынешняя Вселенная конечна, т.е. обладает ограниченным объемом и временем существования.

Точку отсчета времени жизни эволюционирующей Вселенной начинается с момента, когда произошел "Большой Взрыв» и внезапно нарушилось состояние сингулярности. По мнению большинства исследователей, современная теория "Большого Взрыва" в целом довольно успешно описывает эволюцию Вселенной, начиная примерно с 10^-44 секунды после начала расширения. Слабым единственным звеном в этой прекрасной теории считают проблему Начала - физического описания сингулярности.

Ученые сходятся во мнении, что первоначальная Вселенная находилась в условиях, которые трудно вообразить и воспроизвести на Земле. Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и высокого давления в сингулярности, в котором была сосредоточена материя.

Время эволюции Вселенной оценивается примерно в 20 млрд. лет. Теоретические расчеты показали, что в сингулярном состоянии ее радиус был близок к радиусу электрона, т.е. она была микрообъектом ничтожно малых масштабов. Предполагается, что здесь начали сказываться характерные для элементарных частиц квантовые закономерности.

Вселенная перешла к расширению от первоначального сингулярного состояния в результате Большого взрыва, который заполнил все пространство. Возникла температура 100 000 млн. град. по Кельвину, при которой не могут существовать молекулы, атомы и даже ядра. Вещество находилось в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, и фотоны, и меньше было протонов и нейтронов. В конце третьей минуты после взрыва температура Вселенной понизилась до 1 млрд. град. по Кельвину. Стали образовываться ядра атомов – тяжелого водорода и гелия, но вещество Вселенной состояло к этому времени в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино. Лишь через несколько сотен тысяч лет начали образовываться атомы водорода и гелия, образуя водородно-гелиевую плазму. Астрономы обнаружили «реликтовое» радиоизлучение в 1965 г. – излучение горячей плазмы, которая сохранилась с того времени, когда еще не было звезд и галактик. Из этой смеси водорода и гелия в процессе эволюции возникло все многообразие современной Вселенной. По теории Дж. Х. Джинса главным фактором эволюции Вселенной является ее гравитационная неустойчивость: материя не может распределяться с постоянной плотностью в любом объеме. Однородная первоначально плазма распалась на огромные сгустки. Из них потом образовались скопления галактик, которые распались на протогалактики, а из них возникли протозвезды. Этот процесс продолжается и в наше время. Вокруг звезд сформировались планетные системы. Данная модель (стандартная) Вселенной не является достаточно обоснованной, остается много вопросов. Доводами в ее пользу являются лишь установленные факты расширения Вселенной и реликтовое излучение.

Известный американский астроном Карл Саган построил наглядную модель эволюции Вселенной, в которой космический год равен 15 млрд. земных лет, а 1 сек. – 500 годам; тогда в земных единицах времени эволюция представится так:

Большой взрыв 1 января 0 час.0 мин.

Образование галактик 10 января

Образование Солнечной системы 9 сентября

Образование Земли 14 сентября

Возникновение жизни на Земле 25 сентября

Океанский планктон 18 декабря

Первые рыбы 19 декабря

Первые динозавры 24 декабря

Первые млекопитающие 26 декабря

Первые птицы 27 декабря

Первые приматы 29 декабря

Первые гоминиды 30 декабря

Первые люди 31 декабря примерно в 22 час. 30 мин.

Стандартная модель эволюции Вселенной предполагает, что начальная температура внутри сингулярности была больше 10 ¹³ по шкале Кельвина (в которой начало отсчета соответствует – 273⁰ С). Плотность вещества примерно 10 ⁹³ г/см³. Неизбежно должен был произойти «большой взрыв», с которым связывают начало эволюции. Предполагается, что такой взрыв произошел примерно 15-20 млрд. лет назад и сопровождался сначала быстрым, а потом более умеренным расширением и соответственно постепенным охлаждением Вселенной. По степени расширения вселенной ученые судят о состоянии материи на разных стадиях эволюции. Через 0,01 сек. после взрыва плотность вещества упала до 10¹⁰ г/см³. В этих условиях в расширяющейся Вселенной, по-видимому, должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино, а также небольшое количество нуклонов (протонов и нейтронов). При этом происходили непрерывные превращения пар электрон+позитрон в фотоны и обратно – фотонов в пару электрон+позитрон. Но уже через 3 минуты после взрыва из нуклонов образуется смесь легких ядер: 2/3 водорода и 1/3 гелия, так называемое дозвездное вещество, остальные химические элементы образуются из него путем ядерных реакций. В момент, когда возникают атомы водорода и гелия, вещество сделалось прозрачным для фотонов, и они стали излучаться в мировое пространство. В настоящее время такой остаточный процесс наблюдается в виде реликтового излучения (остаток от той далекой поры образования нейтральных атомов водорода и гелия).

По мере расширения и охлаждения во Вселенной происходили процессы разрушения существовавших ранее и возникновения на этой основе новых структур, что вело к нарушению симметрии между веществом и антивеществом. Когда температура после взрыва упала до 6 млрд. градусов по Кельвину, первые 8 сек. существовала в основном смесь из электронов и позитронов. Пока смесь находилась в тепловом равновесии, количество частиц оставалось приблизительно одинаковым. Между частицами происходят непрерывные столкновения, в результате чего возникают фотоны, а из фотонов – электрон и позитрон. Происходит непрерывное превращение вещества в излучение и, наоборот, излучения в вещество. На этой стадии сохраняется симметрия между веществом и излучением.

Нарушение этой симметрии произошло после дальнейшего расширения Вселенной и соответствующего понижения ее температуры. Возникают более тяжелые ядерные частицы – протоны и нейтроны. Складывается крайне незначительный перевес вещества над излучением (1 протон или нейтрон на млрд. фотонов). Из этого излишка в процессе дальнейшей эволюции возникает то огромное богатство и разнообразие материального мира, начиная от атомов и молекул до разнообразных горных образований, планет, звезд и галактик.

Итак, 15-20 миллиардов лет – примерный возраст Вселенной. Что же было до рождения Вселенной? Первая космогоническая схема современной космологии утверждает, что вся масса Вселенной была сжата в некую точку (сингулярность). Неизвестно, в силу, каких причин это исходное, точечное состояние было нарушено и произошло то, что называется сегодня словами «Большой Взрыв».

Вторая космологическая схема рождения Вселенной описывает этот процесс возникновения из «ничто», вакуума. В свете новых космогонических представлений само понимание вакуума было пересмотрено наукой. Вакуум есть особое состояние материи. На исходных стадиях Вселенной интенсивное гравитационное поле может порождать частицы из вакуума.

 Интересную аналогию этим современным представлениям находим мы у древних. О переходе вещества в иное состояние, даже об «исчезновении материи» в момент гибели Вселенной упоминал философ и богослов Ориген (II-III в.н.э.). Когда Вселенная возникает опять, «материя, - писал он, - вновь получает бытие, образуя тела ...».

Согласно сценарию исследователей, вся наблюдаемая сейчас Вселенная размером в 10 миллиардов световых лет возникла в результате расширения, которое продолжалось всего 10^-30 сек. Разлетаясь, расширяясь во все стороны, материя отодвигала «небытие», творя пространство и начав отсчет времени. Так видит становление Вселенной современная космогония.

 Концептуальная модель «расширяющейся Вселенной» была предложена А.А. Фридманом в 1922-24 годах. Десятилетия спустя она получила практическое подтверждение в работах американского астронома Э.Хаббла, изучавшего движение галактик. Хаббл обнаружил, что галактики стремительно разбегаются, следуя некоему импульсу. Если разбегание это не прекратится, будет продолжаться неограниченно, то расстояние между космическими объектами будет возрастать, стремясь к бесконечности. По расчетам Фридмана, именно так должна была бы проходить дальнейшая эволюция Вселенной. Однако при одном условии - если средняя плотность массы Вселенной окажется меньше некоторой критической величины, эта величина составляет примерно три атома на кубический метр. Какое-то время назад данные, полученные американскими астрономами со спутника, исследовавшего рентгеновское излучение далеких галактик, позволили рассчитать среднюю плотность массы Вселенной. Она оказалась очень близка к той критической массе, при которой расширение Вселенной не может быть бесконечно.

Обратиться к изучению Вселенной посредством исследования рентгеновских излучений пришлось потому, что значительная часть ее вещества не воспринимается оптически. Около половины массы нашей Галактики мы «не видим». О существовании же этого не воспринимаемого нами вещества свидетельствуют, в частности, гравитационные силы, которые определяют движение нашей и других галактик, движение звездных систем. Вещество это может существовать в виде «черных дыр», масса которых составляет сотни миллионов масс нашего Солнца, в виде нейтрино или других каких-то неизвестных нам форм. Не воспринимаемые, как и «черные дыры», короны галактик могут быть, как полагают некоторые исследователи, в 5-10 раз больше массы самих галактик.

Предположение, что масса Вселенной значительно больше, чем принято считать, нашло новое весьма веское подтверждение в работах физиков. Ими были получены первые данные о том, что один из трех видов нейтрино обладает массой покоя. Если остальные нейтрино имеют те же характеристики, то масса нейтрино во Вселенной в 100 раз больше, чем масса обычного вещества, находящегося в звездах и галактиках.

Это открытие позволяет с большей уверенностью говорить, что расширение Вселенной будет продолжаться лишь до некоторого момента, после которого процесс обратится вспять – галактики начнут сближаться, стягиваясь снова в некую точку. Вслед за материей будет сжиматься в точку пространство. Произойдет то, что астрономы называют сегодня словами «Схлопывание Вселенной».

Заметят ли люди или обитатели других миров, если они существуют в космосе, сжатие Вселенной, начало ее возврата в первозданный хаос? Нет. Они не смогут заметить поворота времени, который должен будет произойти, когда Вселенная начнет сжиматься.

Ученые, говоря о повороте течения времени в масштабах Вселенной, проводят аналогию со временем на сжимающейся, «коллапсирующей» звезде. Условные часы, находящиеся на поверхности такой звезды, сначала должны будут замедлить свой ход, затем, когда сжатие достигнет критической точки, они остановятся. Когда же звезда «провалится» из нашего пространства-времени, условные стрелки на условных часах двинутся в противоположную сторону - время пойдет обратно. Но всего этого сам гипотетический наблюдатель, находящийся на такой звезде, не заметит. Замедление, остановку и изменение направления времени можно было бы наблюдать со стороны, находясь вне «схлопывающейся» системы. Если наша Вселенная единственная и нет ничего вне ее - ни материи, ни времени, ни пространства, - то не может быть и некоего взгляда со стороны, который мог бы заметить, когда время изменит ход и потечет вспять.

Некоторые ученые считают, что событие это в нашей Вселенной уже произошло, галактики падают друг на друга, и Вселенная вступила в эпоху своей гибели. Существуют математические расчеты и соображения, подтверждающие эту мысль. Что произойдет после того, как Вселенная вернется в некую исходную точку? После этого начнется новый цикл, произойдет очередной «Большой Взрыв», праматерия ринется во все стороны, раздвигая и творя пространство, снова возникнут галактики, звездные скопления, жизнь. Такова, в частности, космологическая модель американского астронома Дж. Уиллера, модель попеременно расширяющейся и «схлопывающейся» Вселенной.

Известный математик и логик Курт Гёдель математически обосновал положение, что при определенных условиях наша Вселенная действительно должна возвращаться к своей исходной точке с тем, чтобы потом опять совершить тот же цикл, завершая его новым возвращением к исходному своему состоянию. Этим расчетам соответствует и модель английского астронома П.Дэвиса, модель «пульсирующей Вселенной». Но что важно - Вселенная Дэвиса включает в себя замкнутые линии времени, иначе говоря, время в ней движется по кругу. Число возникновений и гибели, которые переживает Вселенная, бесконечно.

А как современная космогония представляет себе гибель Вселенной? Известный американский физик С. Вайнберг описывает это так. После начала сжатия в течение тысяч и миллионов лет не произойдет ничего, что могло бы вызвать тревогу наших отдаленных потомков. Однако когда Вселенная сожмется до 1/100 теперешнего размера, ночное небо будет источать на Землю столько же тепла, сколько сегодня дневное. Через 70 миллионов лет Вселенная сократится еще в десять раз и тогда «наши наследники и преемники (если они будут) увидят небо невыносимо ярким». Еще через 700 лет космическая температура достигнет десяти миллионов градусов, звезды и планеты начнут превращаться в «космический суп» из излучения, электронов и ядер.

После сжатия в точку, после того, что мы именуем «гибелью Вселенной», но что, может быть, вовсе, и не есть ее гибель, начинается новый цикл. Косвенным подтверждением этой догадки является уже упомянутое реликтовое излучение, эхо «Большого Взрыва», породившего нашу Вселенную. По мнению ученых, излучение это, оказывается, приходит не только из прошлого, но и «из будущего». Это отблеск «мирового пожара», исходящего от следующего цикла, в котором рождается новая Вселенная. Не только реликтовое излучение пронизывает наш мир, приходя как бы с двух сторон - из прошлого и грядущего. Материя, составляющая мир, Вселенную и нас, возможно, несет в себе некую информацию. Исследователи с долей условности, но говорят уже о своего рода «памяти» молекул, атомов, элементарных частиц. Атомы углерода, побывавшего в живых существах, «биогенные».

 Коль скоро в момент схождения Вселенной в точку материя не исчезает, то не исчезает, неуничтожима и информация, которую она несет. Наш мир заполнен ею, как он заполнен, материей, составляющей его.

Вселенная, что придет на смену нашей, будет ли она её повторением?

Вполне возможно, отвечают некоторые космологи.

Вовсе не обязательно, возражают другие. Нет никаких физических обоснований, считает, например, доктор Р. Дик из Принстонского университета, чтобы всякий раз в момент образования Вселенной физические закономерности были те же, что и в момент начала нашего цикла. Если же эти закономерности будут отличаться даже самым незначительным образом, то звезды не смогут впоследствии создать тяжелые элементы, включая углерод, из которого построена жизнь. Цикл за циклом Вселенная может возникать и уничтожаться, не зародив ни искорки жизни. Такова одна из точек зрения. Ее можно было бы назвать точкой зрения «прерывистости бытия». Оно прерывисто, даже если в новой Вселенной и возникает жизнь: никакие нити не связывают ее с прошлым циклом. По другой точке зрения, наоборот, «Вселенная помнит всю свою предысторию, сколь бы далеко (даже бесконечно далеко) в прошлое она ни уходила».