Реферат: Эволюция Вселенной

Введение

Издавначеловеческая мысль пытается разрешить проблему происхождения нашего мира,возникновения и дальнейшей судьбы вселенной. Этот вопрос относится к числувечных вопросов, и, наверное, никогда не перестанет волновать умы людей. Вразные времена предлагались и различные решения указанной проблемы. Согласноодним из них, мир был сотворен и когда-то начал свое существование; согласнодругим – мир вечен и не имеет начала. Известны и такие точки зрения, согласнокоторым вселенная периодически возникает и уничтожается.

Происхождениеи эволюция Вселенной

Вселеннаявозникла примерно 20 млрд. лет тому назад из некоего плотного и горячегопротовещества. Сегодня можно только предполагать, каким было этопрародительское вещество Вселенной, как оно образовалось, каким законамподчинялось, и что за процессы привели его к расширению. Существует точказрения, что с самого начала протовещество с гигантской скоростью началорасширяться. На начальной стадии это плотное вещество разлеталось, разбегалосьво всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесьнеустойчивых, постоянно распадающихся при столкновениях частиц. Остывая ивзаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного впространстве вещества концентрировалась в большие и малые газовые образования,которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались вгромадные комплексы. В них в свою очередь возникали более плотные участки – тамвпоследствии и образовались звезды и даже целые галактики. В результатегравитационной нестабильности в разных зонах образовавшихся галактик могутсформироваться плотные «протозвездные образования» с массами, близкими к массеСолнца. Начавшийся процесс сжатия будет ускоряться под влиянием собственногополя тяготения. Процесс этот сопровождает свободное падение частиц облака к егоцентру – происходит гравитационное сжатие. В центре облака образуетсяуплотнение, состоящее из молекулярного водорода и гелия. Возрастание плотностии температуры в центре приводит к распаду молекул на атомы, ионизации атомов иобразованию плотного ядра протозвезды. Существует гипотеза о цикличностисостояния Вселенной. Возникнув когда-то из сверхплотного сгустка материи.Вселенная, возможно, уже в первом цикле породила внутри себя миллиарды звездныхсистем и планет. Но затем неизбежно Вселенная начинает стремиться к томусостоянию, с которого началась история цикла, красное смещение сменяетсяфиолетовым, радиус Вселенной постепенно уменьшается и в конце концов веществоВселенной возвращается в первоначальное сверхплотное состояние, по пути к немубезжалостно уничтожив всяческую жизнь. И так повторяется каждый раз, в каждомцикле на протяжении вечности! К началу 30-х годов сложилось мнение, что главныесоставляющие Вселенной – галактики, каждая из которых в среднем состоит из 100млрд. звезд. Солнце вместе с планетной системой входит в нашу Галактику,основную массу звезд которой мы наблюдаем в форме Млечного Пути. Кроме звезд ипланет. Галактика содержит значительное количество разреженных газов икосмической пыли. Конечна или бесконечна Вселенная, какая у нее геометрия – этии многие другие вопросы связаны с эволюцией Вселенной, в частности снаблюдаемым расширением. Если, как это считают в настоящее время, скорость «разлета»галактик увеличится на 75 км/с на каждый миллион парсек, то экстраполяцияк прошлому приводит к удивительному результату: примерно 10–20 млрд. лет назадвся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой области. Многие ученыесчитают, что в то время плотность Вселенной была такая же, как у атомного ядра.Проще говоря, Вселенная тогда представляла собой одну гигантскую «ядерную каплю».По каким-то причинам эта «капля» пришла в неустойчивое состояние и взорвалась.Последствия этого взрыва мы наблюдаем сейчас как системы галактик. Самыйсерьезный удар по незыблемости Вселенной был нанесен результатами измеренийскоростей удаления галактик, полученными известным американским ученым Э. Хабблом.Он установил, что любая галактика удаляется от нас в среднем со скоростью,пропорциональной расстоянию до нее. Это открытие окончательно разрушилосуществовавшее со времен Аристотеля представление о статичной, незыблемойВселенной, уже, впрочем, пошатнувшееся в связи с открытием эволюции звезд.Значит, галактики вовсе не являются космическими фонарями, подвешенными наодинаковых расстояниях друг от друга, и, более того, раз они удаляются, токогда-то в прошлом они должны были быть ближе к нам. Около 20 млрд. лет томуназад все галактики, судя по всему, были сосредоточены в одной точке, изкоторой началось стремительное расширение Вселенной до современных размеров. Ногде же находится эта точка? Ответ: нигде и в то же время повсюду; указать ееместоположение невозможно, это противоречило бы основному принципу космологии.Еще одно сравнение, возможно, поможет понять это утверждение. Согласно общей теорииотносительности, присутствие вещества в пространстве приводит к егоискривлению. При наличии достаточного количества вещества можно построитьмодель искривленного пространства. Передвигаясь по земле в одном направлении,мы в конце концов, пройдя 40000 км, должны вернуться в исходную точку. Вискривленной Вселенной случится то же самое, но спустя 40 млрд. световых лет;кроме того, «роза ветров» не ограничивается четырьмя частями света, а включаетнаправления также вверх-вниз. Итак, Вселенная напоминает надувной шарик, накотором нарисованы галактики и, как на глобусе, нанесены параллели и меридианыдля определения положения точек; но в случае Вселенной для определенияположения галактик необходимо использовать не два, а три измерения. РасширениеВселенной напоминает процесс надувания этого шарика: взаимное расположениеразличных объектов на его поверхности не меняется, на шарике нет выделенныхточек. Чтобы оценить полное количество вещества во Вселенной, нужно простоподсчитать все галактики вокруг нас. Поступая, таким образом, мы получимвещества меньше, чем необходимо, чтобы, согласно Эйнштейну, замкнуть, «воздушныйшарик» Вселенной. Существуют модели открытой Вселенной, математическаятрактовка которых столь же проста и которые объясняют нехватку вещества. Сдругой стороны, может оказаться, что во Вселенной имеется не только вещество ввиде галактик, но и невидимое вещество в количестве, необходимом, чтобыВселенная была замкнута; полемика по этому поводу до сих пор не затихает.

Креативнаяроль физического вакуума

Произнося слово «вакуум»,мы обычно представляем себе чрезвычайно разреженную среду, которую либоисследуют в специальных лабораториях, либо наблюдают в космическомпространстве. Однако вакуум это не пустота, а нечто совершенно иное: особое, ненаблюдаемоев повседневной жизни состояние материи, называемое физическим вакуумом.

Обычных (реальных) частицв пустом объеме, конечно, нет, но квантовая теория предсказывает существованиемножества других частиц, называемых виртуальными. Такие частицы способны приопределенных условиях превращаться в реальные.

Время жизни для частиц смассой me около />с. Эта величина очень мала иговорит они не столько о «жизни», сколько о кратковременном всплеске жизнивесьма странных частиц и связанных с ними полей.

Итак, море ненаблюдаемыхчастиц, готовых при определенных условиях превратиться в обычное.

Состояние физическоговакуума можно охарактеризовать наименьшим значением энергии таких квантовых полей,как скалярное поле, которое должно существовать в вакууме. Этому полю ставитсяв соответствие гипотетическая частица хиггс (по имени ученого Хиггса, еепредложившего), которая является примером сверхтяжелого бозона, масса которого,возможно, в /> раз больше массы протона.Такие частицы могут рождаться при температуре /> K. Существуют проектыогромных ускорителей, где, наблюдая взаимодействие частиц, ученые надеютсяподтвердить реальность существования хиггсов.

Один из проектовамериканские инженеры и физики планируют осуществить в конце века. Это будеточень мощный ускоритель на встречных пучках, причем для уменьшения потребляемойэнергии в кольцевой установке с длиной окружности 84 км будут использованысверхпроводящие магниты. Будущий ускоритель назван сверхпроводящимсуперколлайдером SSC.

Одно из удивительныхсвойств физического вакуума связано с тем, что он создает отрицательноедавление и, стало быть, сможет оказаться источником сил отталкивания в природе.Это свойство играет исключительно важную роль в сценарии «раздувающейсяВселенной».

Парадоксыстационарной Вселенной

В1744 г. швейцарский астроном Жан Филипп де Шезо открыл фотометрическийпарадокс, связанный с предполагаемой бесконечностью вселенной. Суть его вследующем: если в бесконечной вселенной бесчисленное множество звезд, то полюбому направлению взгляд земного наблюдателя непременно наталкивался бы накакую-нибудь звезду, и тогда небосвод имел бы яркость сравнимую с яркостьюсолнца, чего в действительности не наблюдается. В 1826 г. немецкийастроном Генрих Ольберс независимым путем пришел к тем же выводам. С тех порфотометрический парадокс носит имя парадокса Шезо-Ольберса. Ученые пыталисьразличными путями устранить указанный парадокс, предполагая неравномерностьрасположения звезд или поглощение света газопылевыми межзвездными облаками, какэто пытались сделать Шезо и Ольберс. Однако, как было позже показано,газопылевые облака должны были нагреться и сами переизлучать поглощенные лучи,и этот факт не позволял избежать фотометрического парадокса.

В1895 г. немецкий астроном Хуго Зеелигер открыл гравитационный парадокс,также связанный с предполагаемой бесконечностью вселенной. Суть его такова:если в бесконечной вселенной бесчисленное множество равномерно распределенныхзвезд (масс), то сила тяготения их, действующая на любое тело, становится илибесконечно большой или неопределенной (в зависимости от способа расчета), чегоне наблюдается. И в этом случае предпринимались попытки избежатьгравитационного парадокса, предполагая в законе тяготения другую формулу длягравитационной силы, или, считая, что плотность масс во вселенной близка кнулю. Но точные наблюдения за движением планет солнечной системы опровергли этипредположения. Парадокс оставался в силе.

В1865 г. немецкий физик Рудольф Клаузиус на базе открытого им второгоначала термодинамики обнаружил термодинамический парадокс, связанный спредполагаемой вечностью вселенной. Суть его состоит в том, что за бесконечноевремя вселенная должна была достигнуть состояния теплового равновесия смаксимумом энтропии, когда световая энергия звезд перейдет в теплоту. Этоэквивалентно «тепловой смерти» вселенной, когда все звезды погаснут, и никакиепроцессы в мире уже не могут происходить. Термодинамический парадокс пыталсяопровергнуть Людвиг Больцман, предполагая, что Земля и весь видимый космос – этомаловероятная флюктуация от обычного состояния остальной бесконечной и вечнойвселенной, пребывающей в тепловой смерти. Внутри этой флюктуации возможнынаблюдаемые нами активные процессы.

Вовселенной, ограниченной в пространстве и имеющей начало во времени, сотвореннойили нестационарной расширяющейся, устраняются все три космологическихпарадокса.

Основныеположения теории относительности Эйнштейна

Частная теорияотносительности – это основа физического учения о пространстве, времени идвижении. В её рамках пространство и время удается объединить. Частная теорияотносительности позволяет в самом общем виде и весьма простыми средствамипредставить физическое учение о движении как проявление геометриипространства-времени. Частная теория относительности изучает свойствапространства-времени, «справедливые с той точностью, с какой можно пренебрегатьдействием тяготения», то есть специальная теория рассматривает инерциальныесистемы отсчета.

Инерциальной называется система отсчета, в которойсправедлив закон инерции: материальная точка, когда на нее не действуют никакиесилы (или действуют силы взаимно уравновешенные), находится в состоянии покояили равномерного прямолинейного движения. Всякая система отсчета, движущаяся поотношению к ней поступательно, равномерно и прямолинейно, есть такжеинерциальная.

В основе теорииотносительности лежат два положения: принцип относительности, означающийравноправие всех инерциальных систем отсчета («все системы отсчета одинаковы инет какой-либо одной, имеющей преимущество перед другими»), и законраспространения света постоянство скорости света в вакууме, ее независимость отскорости движения источника света.

Эти два постулатаопределяют формулы перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой –это преобразования Лоренца (преобразования описывают связь между координатами ивременем конкретного события в двух различных инерциальных системах отсчета):

/> /> /> />,

где с-параметрпреобразования, имеющий смысл предельной скорости движения и, соответственно,равный скорости света в вакууме.

Характерно, чтопри таких переходах изменяются не только пространственные координаты, но имоменты времени (относительность времени). Из преобразований Лоренца получаютсяосновные эффекты специальной теории относительности:

~ существованиепредельной скорости передачи любых взаимодействий – максимальной скорости, докоторой можно ускорить тело, совпадающей со скоростью света в вакууме;

~ относительностьодновременности (события, одновременные в одной инерциальной системе отсчета, вобщем случае не одновременны в другой);

~ замедлениетечения времени в быстро движущемся теле и сокращение продольных – внаправлении движения – размеров тел («Время в системе координат, движущейся соскоростями, близкими к скорости света, относительно наблюдателя растягивается,а пространственная протяженность (длина) объектов вдоль оси направлениядвижения – напротив, сжимается»).

Все этизакономерности теории относительности надежно подтверждены на опыте.

НестационарнаяВселенная Фридмана

Первыепринципиально новые революционные космологические следствия общей теорииотносительности раскрыл выдающийся советский математик и физик-теоретик АлександрАлександрович Фридман (1888–1925). Основными уравнениями общей теорииотносительности являются «мировые уравнения» Эйнштейна, которые описываютгеометрические свойства, или метрику, четырехмерного искривленного пространства– времени. Решение их позволяет в принципе построить математическую модельВселенной. Первую такую попытку предпринял сам Эйнштейн. Считая радиус кривизныпространства постоянным (т.е. исходя из предположения о стационарностиВселенной в целом, что представлялось наиболее разумным), он пришел к выводу,что Вселенная должна быть пространственно конечной и иметь форму четырехмерногоцилиндра. В 1922–1924 гг. Фридман выступил с критикой выводов Эйнштейна.Он показал необоснованность его исходного постулата – о стационарности,неизменности во времени Вселенной. Проанализировав мировые уравнения, Фридманпришел к заключению, что их решение ни при каких условиях не может бытьоднозначным и не может дать ответа на вопрос о форме Вселенной, ее конечностиили бесконечности. Исходя из противоположного постулата – о возможном изменениирадиуса кривизны мирового пространства во времени, Фридман нашел нестационарныерешения «мировых уравнений». В качестве примера таких решений он построил тривозможные модели Вселенной. В двух из них радиус кривизны пространствамонотонно растет, и Вселенная расширяется (в одной модели – из точки, в другой –начиная с некоторого конечного объема). Третья модель рисовала картинупульсирующей Вселенной с периодически меняющимся радиусом кривизны. Встретивсначала решения Фридмана с большим недоверием, Эйнштейн затем убедился в егоправоте и согласился с критикой молодого физика. Две первые модели ВселеннойФридмана уже вскоре нашли удивительно точное подтверждение в непосредственныхнаблюдениях движений далеких галактик – в так называемом эффекте «красногосмещения» в их спектрах. Он свидетельствует о взаимном удалении всех достаточнодалеких друг от друга галактик и их скоплений. Если обратить картину вовремени, то это приводит к заключению о существовании «начала» обнаруженногообщего расширения пространства Вселенной! Такие выводы и были сделаны уже вконце 20-х годов бельгийским астрономом аббатом Ж. Леметром (о расширенииВселенной из точки, из «атома-отца») и А. Эддингтоном (предположившим, чторасширение началось от состояния плотного сгустка конечных размеров). Все этоломало привычные, тысячелетиями складывавшиеся представления, прежде всего о«вечности» Вселенной, поскольку она отождествлялась со «всей существующейматерией».

Входе споров, с одной стороны, постепенно уточнялись и усложнялись самифундаментальные понятия, фигурирующие в космологии: конечность иограниченность, бесконечность и безграничность, наконец, неоднозначность такихпонятий, как «вся Вселенная», «Вселенная в целом», неправомерностьотождествления таких понятий, как «Вселенная» и «Метагалактика». С другойстороны, наблюдения подтвердили факт расширения всей наблюдаемой областиВселенной. Большинство современных космологов понимают это расширение, какрасширение действительно всей мыслимой и существующей Вселенной… К сожалению,ранняя смерть не позволила гениальному теоретику Вселенной А.А. Фридману,идеи которого более полувека направляют мысль космологов, самому принятьучастие в дальнейшем революционном развитии процесса обновления космологическойкартины мира. Опыт истории развития знаний о мире подсказывает, однако, что исовременная релятивистская космологическая картина мира, будучи результатомэкстраполяции на все мыслимое «целое» знаний об ограниченной части Вселенной,неизбежно неточна. Поэтому можно думать, что она скорее отражает свойстваограниченной части Вселенной (которую и можно назвать Метагалактикой), причем,возможно, лишь один из этапов ее развития (что допускает релятивистскаякосмология и что может проясниться с уточнением средней плотности материи вМетагалактике). В настоящее время, однако, в этом пункте картина мира остаетсянеопределенной.

Закон Хаббла

ЗаконХаббла(закон всеобщего разбегания галактик) – эмпирический закон, связывающий красноесмещение галактик и расстояние до них линейным образом:

c z = D H0,

гдеz – красное смещение галактики, D – расстояние до нее, H0– коэффициентпропорциональности, называемый постоянная Хаббла. При малом значении z

c z = Vr,

гдеVr – скорость галактики вдоль луча зрения наблюдателя, и законпринимает классический вид:

/>.

Спомощью этого закона можно рассчитать так называемый Хаббловский возрастВселенной (в предположении, что «разбегание» галактик действительное):

/>;

этотвозраст с точностью до множителя 2 соответствует возрасту Вселенной,рассчитываемому по стандартной космологической модели Фридмана.

ЗаконХаббла установлен экспериментально Э. Хабблом в 1929 для галактик спомощью 100» телескопа, который разрешает ближайшие галактики на звезды. Срединих были цефеиды, используя зависимость «период-светимость» которых, Хабблизмерил расстояние до них, а также красное смещение. Полученный Хаббломкоэффициент пропорциональности составлял около 500 км/с на мегапарсек.Современное значение составляет 74,2 ± 3,6 км/с на мегапарсек. Стольсущественную разницу обеспечивают два фактора: отсутствие поправки нуль-пунктазависимости «период-светимость» на поглощение (которое тогда ещё не былооткрыто) и существенный вклад собственных скоростей в общую скорость дляместной группы галактик.

«Горячая»Вселенная Гамова

Наосновании первых наблюдений преобладания красных смещений в спектрах далекихгалактик, еще до установления линейного закона «красного смещения» (законХаббла, 1929 г.) бельгийский астроном Ж. Леметр, независимо от А.А. Фридмана,выдвинул в 1927 г. свою знаменитую идею возникновения Вселенной из одного«атома-отца» и ее расширения. В такой форме гипотеза была весьма удобной длярелигиозного истолкования природы и встретила, поэтому резко критическоеотношение со стороны философов-материалистов. В 30-е годы концепция Леметрабыла развита Эддингтоном (стоявшим на позициях Эйнштейна) как модель расширенияВселенной из первоначального плотного сгустка обычного вещества. Тогда же Милн,опираясь на собственную «кинематическую теорию относительности», дал своюинтерпретацию разбегания галактик как результата взрыва сверхплотного сгустканекой особой «первичной» материи, из которой «на ходу» формировались затемзвезды, галактики, планеты. Но формирование более конкретной физическиразработанной эволюционной космолого-космогонической модели расширяющейсяВселенной, получившей название теории «Big Bang» (Большого Взрыва), связано впервую очередь с именем одного из крупнейших ученых современности,американского физика русского происхождения Джорджа (Георгия Антоновича) Гамова(1904–1968). Он был специалистом по атомной и ядерной физике, но внесфундаментальный вклад и в астрофизику и, кроме того, в генетику. Одним изпервых он использовал успехи ядерной физики, включая свои собственныерезультаты, для решения проблемы источников внутризвездной энергии и дляразвития теории эволюции звезд. Дж. Гамов построил первую ядерную теориюэволюции звезд. В 1939 г. он предложил нейтринную теорию сверхновых звезд.Совместно с М. Шенбергом в 1940–1941 гг. он раскрыл существенныестороны ядерного механизма взрывов сверхновых, указав на большую роль в этомпроцессе нейтрино. В 1942 г. Гамов построил детальную теорию эволюциинаиболее крупных звезд – красных гигантов. Но для формирования современнойастрономической картины мира наиболее значительным его вкладом стала выдвинутаяим в 1946 г. и развитая впоследствии вместе со своими учениками теорияБольшого Взрыва. Согласно этой теории, конкретизировавшей на материале ядернойфизики идеи расширяющейся Вселенной Фридмана – Леметра, вся современнаянаблюдаемая нами Вселенная представляет собою результат катастрофическоговзрыва материи, находившейся до того в чудовищно сжатом сверх-сверхплотномсостоянии, недоступном пока для понимания и описания в рамках современнойфизики. Начавшееся при этом «взрыве» расширение материн, вернее, чудовищнобыстрый вначале разлет ее в форме неразделимой смеси – высокотемпературногоизлучения и вещества – элементарных частиц, обладавших релятивистскимискоростями, наблюдается и в наши дни в виде эффекта хаббловскоголинейно-изотропного «расширения Вселенной» или «красного смещения».

Совместносо своими учениками и сотрудниками – физиками Р. Альфером и Р. Германом,Дж. Гамов в 1948 г. развил теорию образования в ранней Вселеннойхимических элементов тяжелее водорода в результате ядерного синтеза (теориянейтронного захвата), происходившего, уже в начальный период расширения иостывания горячего «начального» вещества, за которое они принимали сначаланейтроны. Предполагалось, что их распад (на протоны и электроны) и дальнейшиекомбинации получавшихся частиц обеспечили формирование современного химическогосостава Вселенной, в котором главное место занимает водород (70–80%), но дальнейшиенаблюдения заставили астрофизиков допустить, что часть гелия образовалась ужена ранней, дозвездной стадии расширения Вселенной, а доступное пониманиюначальное вещество Вселенной состояло из равного числа нейтронов и протонов.Огромное обилие водорода в наблюдаемой Вселенной заставляет предположить, что вначальной фазе ее расширения она была заполнена главным образомвысокотемпературным излучением (фотонами), хотя уже содержала и некоторое числочастиц и античастиц. После их взаимной аннигиляции остался некий избыток(имевшийся изначально) частиц – тяжелых (барионов: нейтронов и протонов) илегких (лептонов: электронов и нейтрино). Это исходное соотношение между числомфотонов, нейтрино, барпонов и электронов сохраняется и в современной Вселенной.По наблюдаемому обилию легких элементов (Н и Не) оно было оценено Альфером иГерманом как 109:10:1:1. Из наблюдаемой плотности в Космосе ядерных, тяжелыхчастиц Гамов, Альфер и Герман предсказали в 1948 г., что в современнойВселенной это остывшее первичное излучение должно наблюдаться как тепловое,соответствующее температуре около 5 К, т.е. с максимумом в сантиметровомдиапазоне радиоволн. В 50-е годы ряд обстоятельств помешал группе Гамовапродолжить эти исследования, а главное – осуществить проверку теориинаблюдением – поисками остаточного излучения. Развитию теории препятствовали инедостаток наблюдательных сведений о распространенности различных химическихэлементов во Вселенной, и – главное – общее скептическое отношение «серьезных»астрофизиков и многих физиков тех лет к возможности самой постановки, а темболее решения столь фантастической проблемы, как начало истории всей Вселеннойв целом! Проверить же предсказание о сохранившемся первичном тепловомрадиоизлучении с современной температурой около 5К специалистам радиофизикампредставлялось невозможным: все были уверены, что такой слабый сигнал нельзявыделить, по крайней мере, с имевшейся аппаратурой, из общего радиошума – радиоизлучениязвезд, галактик, межзвездной среды. Полтора десятка лет концепция БольшогоВзрыва оставалась курьезом, игрой ума немногих физиков и космологов. Проблемахолодного или горячего начального состояния современной Вселенной вызывала ужеострые дискуссии, и сама становилась «горячим», дискуссионным элементом вастрономической картине мира. В результате американский радиофизик Дикке даженачал подготовку к наблюдательной проверке концепции Большого Взрыва… Поэтому,когда в 1964 г. американские радиоинженеры, не слыхавшие о теории Гамова, А. Пензиаси Р. Уилсон при испытании рупорной антенны для наблюдения американскогоспутника «Эхо» открыли случайно существование микроволнового (на волне 7,35 см)космического радиошума, не зависящего от направления антенны, это открытиесразу же попало в центр внимания американских астрофизиков – космологов Дикке,Пиблса и др. Последние сразу поняли, что речь идет о предсказанном группойГамова первичном остаточном радиоизлучении и что теория горячей Вселеннойполучила важнейшее наблюдательное подтверждение. Это величайшее в астрономии XX в.открытие, по существу, коллективное и в значительной степени ставшеерезультатом созревшей для его восприятия научной атмосферы, или картины мира,сделало достоверным фактом, по меньшей мере, то, что у нашей Вселенной(Метагалактики) имелась ее ранняя история, т.е. что она действительноэволюционирует.

Этапыэволюции горячей Вселенной, неоднозначность сценария. Антропный принцип

Космология – разделастрофизики, изучающий строение и эволюцию Вселенной в целом. Современнаякосмология возникла в начале XX века. Данные астрофизических наблюденийпоказывают, что крупнейшими структурными единицами Вселенной являются большиескопления и сверхскопления галактик. Их размеры достигают десятков миллионовпарсек. В еще больших масштабах (сотни мегапарсек) вещество во Вселеннойраспределено однородно.

Эйнштейн построил наоснове своей теории космологическую модель статичной Вселенной. Исходнойгипотезой было предположение о том, что Вселенная однородна и изотропна.

В 1922 г. А.А. Фридмандоказал, что статичный мир Эйнштейна всего лишь частный случай решенияуравнений ОТО. В общем же случае эти уравнения приводят не к статичным моделям,а к моделям, зависящим от времени. Однородная и изотропная Вселенная должнаэволюционировать, т.е. непрерывно изменяться со временем.

В конце 20-х гг. Э. Хабблустановил, что галактики удаляются друг от друга. Это означает, что Вселеннаярасширяется.

Будет ли расширениеВселенной неограниченно продолжаться в будущем? Расширение тормозится силамитяготения. Тяготение определяется средней плотностью вещества во Вселенной.Критическое значение плотности, при котором расширение в будущем сменитсясжатием, равно />. Средняя плотность поданным наблюдений ниже критической раз в десять. Следовательно, Вселеннаядолжна расширяться все время.

Однако во Вселенной,возможно, имеется много невидимого вещества, и средняя плотность может бытьблизка критической.

Поскольку наблюденияпоказывают, что галактики удаляются друг от друга, значит, в прошлом они былирасположены теснее, а еще ранее не могло быть отдельных галактик и вообщеотдельных небесных тел. Вещество было распределено почти равномерно, аплотность его была очень большой. Вселенная начала расширяться /> млрд.лет назад. При этом центра расширения не было. Все точки во Вселеннойравноправны. Что было до начала расширения Вселенной, пока до конца невыяснено, так как при очень больших плотностях материи вступают в действие ещене известные нам законы природы.

В настоящее времябольшинство исследователей считают, что в начале расширения Вселенной материябыла очень плотной /> и очень горячей /> – теориягорячей Вселенной. Согласно этой теории Вселенная напоминала гигантскийускоритель «элементарных» частиц. Началом работы этого ускорителя частиц былБольшой Взрыв, следствием которого является наблюдаемый в настоящий моментразлет галактик и их скоплений. В отличие от обычного взрыва астрономическийвзрыв произошел сразу во всем существовавшем тогда пространстве. Пока мало чтоизвестно о том, что происходило в первую секунду после начала расширения и ещеменьше о том, что было до начала расширения. Общая схема последующей эволюцииВселенной представляется следующим образом: эра адронов длилась примерно от /> Атомовне было, но существовали нуклоны (протоны и нейтроны), мюоны, электроны инейтрино различных типов (электронные, мюонные, тау-нейтрино), а такжеантичастицы и электромагнитное излучение (фотоны), которое находилось втермодинамическом равновесии с веществом. Число частиц и античастиц вещества вединице объема было равно числу находящихся там же фотонов.

Главным событием адроннойэры был процесс аннигиляции нуклонов и антинуклонов (адронов). Нуклонов былонесколько больше, чем антинуклонов, поэтому часть вещества осталась в качествестроительного материала для ядер будущих атомов.

Эра лептонов длиласьпримерно от /> Температура уменьшилась до /> K, аплотность стала равной /> Лептоны аннигилировали:мюон-антимюон, электрон-позитрон с образованием нейтрино. В результате,качественно изменился состав плазмы и приобрели самостоятельность нейтрино,которые с этого момента перестали участвовать во взаимодействиях. Послеаннигиляции тяжелых частиц их энергия перешла к более легким частицам итратилась на нагрев излучения, а после аннигиляции легких частиц освободившаясяэнергия стала расходоваться в основном на повышение температуры излучения. В концелептонной эры произошло образование ядер гелия путем слияния протонов инейтронов, которых стало около 25%, остальная плазма (75%) состояла из ядерводорода.

Эра радиации длилась отt=10 с до примерно 300 000 лет. К концу этой эры плотность стала равной /> атемпература уменьшилась до 3000K. Одно из важнейших событий – отрыв излученияот вещества: присоединение электронов к протонам стало преобладать над отрывомэлектронов от протонов. В результате среда стала прозрачной для излучения.

Эра вещества длится досих пор. После отрыва излучения от вещества наша Вселенная довольно спокойнорасширялась, а главные события, происходившие в ней, были связаны с рождениемгалактик, звезд и планет.

Возраст Солнечной системыоколо 4,6 млрд. лет. Возраст самых старых звезд близок возрасту нашей и другихгалактик – 10–15 млрд. лет. В прошлом далекие внегалактические радиоисточникиизлучали больше, чем сейчас. Распространенность химических элементов близка ксоотношению, которое возникло во времена первичного термоядерного синтеза, ноглавным подтверждением теории «горячей Вселенной» считается открытиереликтового излучения. После «отрыва» излучения от вещества и последующегорасширения Вселенной температура излучения падала, но его характер (спектр)сохранился до наших дней, напоминая о далекой молодости Метагалактики. Вотпоэтому астрофизик И.С. Шкловский предложил назвать это излучениереликтовым. А. Пензиас и Р. Вильсон получили в 1978 году Нобелевскуюпремию за открытие этого излучения (1965).

Не все ученые согласны сидеей Большого Взрыва. К их числу относятся такие известные астрофизики, как Х. Альвен(Швеция), Д. Нарликар (Индия) и др. Со времен Коперника люди сталипонимать, что наша планета и ее обитатели не занимают какого-либопривилегированного положения в Солнечной системе, Галактике и Метагалактике.Однако мы обитаем в наиболее удобной для этого области Солнечной системы иГалактики, а фундаментальные свойства Вселенной удивительно «подстроены» подтот жесткий набор требований, без которого не могли бы возникнуть ни галактики,ни звезды, ни планеты, ни жизнь и разум во Вселенной.

Мы живем вэволюционирующей Вселенной. Появление жизни и разума в нашей Вселенной сталовозможным на определенном этапе ее эволюции. Если бы эволюция космическийматерии происходила несколько иначе, то не было бы ни наблюдаемой структурыВселенной, ни нас как наблюдателей.

По существу, всовременной космологии появился новый взгляд на Вселенную, новый принцип.Согласно известному ранее космологическому принципу, Вселенная выглядит почтиодинаково из любой точки пространства (идеальный принцип требует, чтобыВселенная выглядела совершенно одинаково и в любой момент времени). Теперь же кэтому принципу добавляется новый – его называют антропным принципом.Сформулировать его можно разным способом, например: это принцип отбора толькотех начальных условий (из всех имеющихся на ранней стадии Вселенной), которыесовместимы с существованием разумной жизни.

Антропный принцип не естьновый фундаментальный физический закон. Принцип вообще не эквивалентен закону,а представляет собой один из уровней философского основания науки.

Реликтовоеизлучение Вселенной

 

Реликтовое излучение–космическое электромагнитноеизлучение с высокой степенью изотропности и со спектром, характерным дляабсолютно черного тела с температурой ≈ 2,725K. Реликтовоеизлучение было предсказано Г. Гамовым, Р. Альфером и Р. Германомв 1948 году на основе созданной ими первой теории Большого взрыва. Альфер иГерман смогли установить, что температура реликтового излучения должнасоставлять 5K, а Гамов дал предсказание в 3K. Хотя некоторыеоценки температуры пространства существовали и до этого, они обладалинесколькими недостатками. Во-первых, это были измерения лишь эффективнойтемпературы пространства, не предполагалось, что спектр излучения подчиняетсязакону Планка. Во-вторых, они были зависимы от нашего особого расположения накраю Галактики и не предполагали, что излучение изотропно. Более того, они быдали совершенно другие результаты, если бы Земля находилась где-либо в другомместе Вселенной. Ни сам Г. Гамов, ни многие его последователи не ставиливопрос об экспериментальном обнаружении реликтового излучения. По видимому, онисчитали, что это излучение не может быть обнаружено, так как оно «тонет» впотоках энергии, приносимых на землю излучением звезд и космических лучей.

Возможность обнаружения реликтовогоизлучения на фоне излучения галактик и звезд в области сантиметровых радиоволнбыла обоснована расчетами А.Г. Дорошкевича и И.Д. Новикова,выполненными по предложению Я.Б. Зельдовича в 1964 г., т.е. за год дооткрытия А. Пепзиаса и Р. Вилсона.

В 1965 году Арно Пензиас и РобертВудроу Вильсон построили радиометр Дикке, который они намеревались использоватьне для поиска реликтового излучения, а для экспериментов в областирадиоастрономии и спутниковых коммуникаций. При калибровке прибора выяснилось,что антенна имеет избыточную температуру в 3,5 K, которую они не моглиобъяснить. Небольшой шумовой фон не менялся ни от направления, ни от времениработы. Сначала решили, что это шум, свойственный аппаратуре. Радиотелескопдемонтировали, еще и еще раз испытали его «начинку». Самолюбие инженеров былозадето, и поэтому проверка шла до последней детали, до последней пайки.Устранили все. Собрали снова – шум возобновился. После долгих раздумийтеоретики пришли к выводу, что это излучение могло быть ничем иным, какпостоянным фоном космического радиоизлучения, заполняющего Вселенную ровнымпотоком. Получив звонок из Холдмдейла, Дикке остроумно заметил: «Мы сорваликуш, парни». Встреча между группами из Принстона и Холмдейла определила, чтотакая температура антенны была вызвана реликтовым излучением. Астрофизикирассчитали, что шум соответствует температуре, равной примерно 3 градусамКельвина, и «прослушивается на различных частотах. В 1978 году Пензиас и Вилсонполучили Нобелевскую премию за их открытие. Можно себе представить, каквозрадовались сторонники «горячей» модели, когда пришло это сообщение. Этооткрытие не только укрепило позиции «горячей» модели. Реликтовое излучениепозволило со ступеньки времени квазаров (8–10 миллиардов лет) опуститься наступеньку, соответствующую 300 тысячам лет от самого «начала». Одновременноподтверждалась мысль, что некогда Вселенная имела плотность в миллиард разболее высокую, чем сейчас. Известно, что нагретое вещество всегда излучаетфотоны. Согласно общим законам термодинамики, в этом проявляется стремление кравновесному состоянию, при котором достигается насыщение: рождение новых фотоновкомпенсируется обратным процессом, поглощением фотонов веществом, так чтополное число фотонов в среде не меняется. Этот «фотонный газ» равномернозаполняет всю Вселенную. Температура газа фотонов близка к абсолютному нулю – около3 кельвинов, но энергия, содержащаяся в нем, больше световой энергии,испущенной всеми звездами за время их жизни. На каждый кубический сантиметрпространства Вселенной приходится приблизительно пятьсот квантов излучения, аполное число фотонов в пределах видимой Вселенной в несколько миллиардов разбольше полного числа частиц вещества, т.е. атомов, ядер, электронов, из которыхсостоят планеты, звезды и галактики. Это общее фоновое излучение Вселеннойназывают с легкой руки И.С. Шкловского, реликтовым, т.е. остаточным,представляющим собой остаток, реликт плотного и горячего начального состоянияВселенной. Предположив, что вещество ранней Вселенной было горячим, Г. Гамовпредсказал, что фотоны, которые находились тогда в термодинамическом равновесиис веществом, должны сохраниться в современную эпоху. Эти фотоны и удалосьнепосредственно обнаружить в 1965 г. Испытав общее расширение и связанноес ним охлаждение, газ фотонов образует сейчас фоновое излучение Вселенной,приходящее к нам равномерно со всех сторон. Квант реликтового излучения неимеет массы покоя, как всякий квант электромагнитного излучения, но обладаетэнергией, а следовательно, по знаменитой формуле Эйнштейна Е=Мс², имассой, соответствующей этой энергии. Для большинства реликтовых квантов этамасса очень мала: гораздо меньше массы атома водорода – самогораспространенного элемента звезд и галактик. Поэтому, несмотря на значительноепреобладание по числу частиц, реликтовое излучение уступает звездам игалактикам по вкладу в общую массу Вселенной. В современную эпоху плотностьизлучения составляет 3•10-34 г/см3, что приблизительно втысячу раз меньше усредненной плотности вещества галактик. Но так было невсегда – в далеком прошлом Вселенной фотоны давали главный вклад в ееплотность. Дело в том, что в ходе космологического расширения плотностьизлучения падает быстрее плотности вещества. В этом процессе убывает не толькоконцентрация фотонов (в том же темпе, что и концентрация частиц), ноуменьшается и средняя энергия одного фотона, так как при расширении падает температурагаза фотонов. В ходе последующего расширения Вселенной температура плазмы иизлучения падала. Взаимодействие частиц с фотонами уже не успевало захарактерное время расширения заметно влиять на спектр излучения. Однако дажепри полном отсутствии взаимодействия излучения с веществом в ходе расширенияВселенной чернотельный спектр излучения остаётся чернотельным, уменьшается лишьтемпература излучения. Пока температура превышала 4000 K, первичноевещество было полностью ионизовано, пробег фотонов от одного акта рассеяния додр. был много меньше горизонта Вселенной. При T ≈ 4000K произошларекомбинация протонов и электронов, плазма превратилась в смесь нейтральныхатомов водорода и гелия, Вселенная стала полностью прозрачной для излучения. Входе её дальнейшего расширения температура излучения продолжала падать, ночернотельный характер излучения сохранился как реликт, как «память» о раннемпериоде эволюции мира. Это излучение обнаружили сначала на волне 7,35 см,а затем и на др. волнах (от 0,6 мм до 50 см).

Ни звёзды и радиогалактики, нигорячий межгалактический газ, ни переизлучение видимого света межзвёздной пыльюне могут дать излучения, приближающегося по свойствам к микроволновому фоновомуизлучению: суммарная энергия этого излучения слишком велика, и спектр его непохож ни на спектр звёзд, ни на спектр радиоисточников. Этим, а также почтиполным отсутствием флуктуации интенсивности по небесной сфере (мелкомасштабныхугловых флуктуации) доказывается космологическое, реликтовое происхождениемикроволнового фонового излучения.

Фоновое излучение изотропно лишь всистеме координат, связанной с «разбегающимися» галактиками, в т. н.сопутствующей системе отсчёта (эта система расширяется вместе с Вселенной). Влюбой другой системе координат интенсивность излучения зависит от направления.Этот факт открывает возможность измерения скорости движения Солнца относительносистемы координат, связанной с микроволновым фоновым излучением. Действительно,в силу Доплера, эффекта фотоны, распространяющиеся навстречу движущемусянаблюдателю, имеют более высокую энергию, нежели догоняющие его, несмотря нато, что в системе, связанной с м. ф. и., их энергии равны. Поэтому итемпература излучения для такого наблюдателя оказывается зависящей отнаправления. Дипольная анизотропия реликтового излучения, связанная с движениемСолнечной системы относительно поля этого излучения, к настоящему временитвердо установлена: в направлении на созвездие Льва температура реликтовогоизлучения на 3,5 мК превышает среднюю, а в противоположном направлении(созвездие Водолея) на столько же ниже средней. Следовательно, Солнце (вместе сЗемлёй) движется относительно м. ф. и. со скоростью около 400 км/с понаправлению к созвездию Льва. Точность наблюдений столь высока, чтоэкспериментаторы фиксируют скорость движения Земли вокруг Солнца, составляющую30 км/с. Учёт скорости движения Солнца вокруг центра Галактики позволяетопределить скорость движения Галактики относительно фонового излучения Онасоставляет ≈600 км/с. Спектрофотометр дальнего инфракрасногоизлучения (FIRAS) установленный на спутнике NASA Cosmic Background Explorer(COBE) выполнил точные измерения спектра реликтового излучения. Эти измерениястали наиболее точными на сегодняшний день измерениями спектра абсолютночерного тела. Наиболее подробную карту реликтового излучения удалось построитьв результате работы американского космического аппарата WMAP.

Спектр наполняющего Вселеннуюреликтового излучения соответствует спектру излучения абсолютно черного тела стемпературой 2,725 K. Его максимум приходится на частоту 160,4 ГГц, чтосоответствует длине волны 1,9 мм. Оно изотропно с точностью до 0,001% – среднеквадратичноеотклонение температуры составляет приблизительно 18 мкК. Это значение неучитывает дипольную анизотропию (разница между наиболее холодной и горячейобластью составляет 6.706 мК), вызванную доплеровским смещением частотыизлучения из-за нашей собственной скорости относительно системы координат,связанной с реликтовым излучением. Дипольная анизотропия соответствует движениюСолнечной системы по направлению к созвездию Девы со скоростью ≈ 370 км/с.

Инфляционнаямодель Вселенной

Помимовопроса о происхождении Вселенной, современные космологи сталкиваются с рядомдругих проблем. Чтобы стандартная теория большого взрыва могла предсказать тораспределение материи, которое мы наблюдаем, ее исходное состояние должнохарактеризоваться очень высокой степенью организованности. Физик А. Гут изМассачусетского технологического института предложил свою версию теориибольшого взрыва, которая объясняет спонтанное возникновение этой организации,устраняя необходимость искусственно вводить точные параметры в уравнения,описывающие исходное состояние Вселенной. Его модель была названа «инфляционнойВселенной». Суть ее в том, что внутри быстро расширяющейся, пере гретойВселенной небольшой участок пространства охлаждается и начинает расширятьсясильнее, подобно тому, как переохлажденная вода стремительно замерзает,расширяясь при этом. Эта фаза быстрого расширения позволяет устранить некоторыепроблемы, присущие стандартным теориям большого взрыва. Однако модель Гута тожене лишена недостатков. Чтобы уравнения Гута правильно описывали инфляционнуюВселенную, ему пришлось очень точно задавать исходные параметры для своихуравнений. Таким образом, он столкнулся с той же проблемой, что и создателидругих теорий. Он надеялся избавиться от необходимости задавать точныепараметры условий большого взрыва, но для этого ему пришлось вводитьсобственную параметризацию, оставшуюся необъясненной. Гут и его соавтор П. Штайнгартпризнают, что в их модели «расчеты приводят к приемлемым предсказаниям только втом случае, если заданные исходные параметры уравнений варьируют в очень узкомдиапазоне. Большинство теоретиков (включая и нас самих) считают подобныеисходные условия маловероятными». Далее авторы говорят о своих надеждах на то,что когда-нибудь будут разработаны новые математические теории, которыепозволят им сделать свою модель более правдоподобной. Эта зависимость от еще неоткрытых теорий – другой недостаток модели Гута. Теория единого поля, накоторой основывается модель инфляционной Вселенной, полностью гипотетична и «плохоподдается экспериментальной проверке, так как большую часть ее предсказанийневозможно количественно проверить в лабораторных условиях». Другой недостатоктеории Гута – это то, что в ней ничего не говорится о происхождении перегретойи расширяющейся материи. Гут проверил совместимость своей инфляционной теории стремя гипотезами происхождения Вселенной. Сначала он рассмотрел стандартнуютеорию большого взрыва. В этом случае, по мнению Гута, инфляционный эпизоддолжен был произойти на одной из ранних стадий эволюции Вселенной. Однако этамодель ставит перед нами неразрешимую проблему сингулярности. Вторая гипотезапостулирует, что Вселенная возникла из хаоса. Некоторые ее участки былигорячими, другие – холодными, одни расширялись, а другие сжимались. В этомслучае инфляция должна была начаться в перегретой и расширяющейся областиВселенной. Правда, Гут признает, что эта модель не может объяснитьпроисхождение первичного хаоса. Третья возможность, которой Гут отдаетпредпочтение, заключается в том, что перегретый расширяющийся сгусток материивозникает квантово-механическим путем из пустоты. В статье, появившейся вжурнале «Сайентифик Америкэн» в 1984 году, Гут и Штайнгарт утверждают: «Инфляционнаямодель Вселенной дает нам представление о возможном механизме, при помощикоторого наблюдаемая Вселенная могла появиться из бесконечно малого участкапространства. Зная это, трудно удержаться от соблазна сделать еще один шаг иприйти к выводу, что Вселенная возникла буквально из ничего».

Однакокакой бы привлекательной ни была эта идея для ученых, готовых ополчиться налюбое упоминание о возможности существования высшего сознания, создавшего Вселенную,при внимательном рассмотрении она не выдерживает критики. «Ничто», о которомговорит Гут, – это гипотетический квантово-механический вакуум, описываемый ещене разработанной теорией единого поля, которая должна объединить уравненияквантовой механики и общей теории относительности. Другими словами, в данныймомент этот вакуум невозможно описать даже теоретически.

Вернемсяк изначальной проблеме, для решения которой Гут создал инфляционную модель:проблеме точной параметризации исходного состояния Вселенной. Без такойпараметризации невозможно получить наблюдаемое распределение материи воВселенной. Как мы убедились, решить эту проблему Гуту не удалось. Более того,сомнительной представляется сама возможность того, что какая-нибудь версиятеории большого взрыва, включая версию Гута, может предсказать наблюдаемоераспределение материи во Вселенной. Высокоорганизованное исходное состояние вмодели Гута, по его же словам, в конце концов, превращается во «Вселенную» диаметром10 сантиметров, наполненную однородным сверхплотным, перегретым газом. Онабудет расширяться и остывать, но нет никаких оснований предполагать, что онакогда-нибудь превратится в нечто большее, чем однородное облако газа. По сутидела, к этому результату приводят все теории большого взрыва. Если Гутупришлось пускаться на многие ухищрения и делать сомнительные допущения, чтобы вконце концов получить Вселенную в виде облака однородного газа, то можнопредставить себе, каким должен быть математический аппарат теории, приводящейко Вселенной в том виде, в каком мы ее знаем! Хорошая научная теория даетвозможность предсказывать многие сложные природные явления, исходя из простойтеоретической схемы. Но в теории Гута (и любой другой версии теории большоговзрыва) все наоборот: в результате сложных математических выкладок мы получаемрасширяющийся пузырь однородного газа. Теоретики прибегают к помощи так называемого«антропического принципа.

Поих гипотезе, квантово-механический вакуум производит вселенные миллионами. Но вбольшинстве из них нет условий, необходимых для возникновения жизни, поэтомуникто не может исследовать эти миры. В то же время в других вселенных, включаянашу собственную, сложились подходящие условия для появления исследователей,поэтому нет ничего удивительного в том, что в этих вселенных царит такойнеправдоподобный порядок. Иначе говоря, сторонники антропического принципапринимают сам факт существования человека за объяснение упорядоченной структурыВселенной, которая создала условия для возникновения человека. Однако подобныелогические увертки ничего не объясняют. Следовательно, любая модельпроисхождения Вселенной, построенная на основе теории относительности, неспособна объяснить наше восприятие времени, и потому все эти модели в ихсовременном виде несовершенны и неприемлемы.

БудущееВселенной

Современнаянаука, рассматривая дальнейшую судьбу Вселенной, останавливается на двухвариантах – открытой и замкнутой Вселенной. Если предположить, что Вселеннаязамкнута, в этом случае в течение 40–50 миллиардов лет ничего существенного непроизойдет. Галактики будут все дальше разбегаться друг от друга, пока вкакой-то момент самые дальние из них не остановятся и Вселенная не начнетсжиматься. На смену красному смещению спектральных линий придет синее. Кмоменту максимального расширения большинство звезд в галактиках погаснет, иостанутся в основном небольшие звезды, беглые карлики и нейтронные звезды, атакже черные дыры, окруженные роем частиц – в большинстве своем фотонов инейтронов. Наконец, через примерно 100 миллиардов лет начнут сливаться воединогалактические скопления; отдельные объекты сначала будут сталкиваться оченьредко, но со временем Вселенная превратится в однородное «море» скоплений.Затем начнут сливаться отдельные галактики, и, в конце концов, Вселенная будетпредставлять собой однородное распределение звезд и других подобных объектов. Втечение всего коллапса в результате аккреции и соударений станутобразовываться, и расти черные дыры. Будет повышаться температура фоновогоизлучения; в конце концов, она почти достигнет температуры поверхности Солнца иначнется процесс испарения звезд. Перемещаясь на фоне ослепительно яркого неба,они подобно кометам будут оставлять за собой состоящий из паров след. Но вскоревсе заполнит рассеянный туман и свет звезд померкнет. Вселенная потеряетпрозрачность, как сразу же после Большого взрыва. (В гл. 6 мы видели,что/ранняя Вселенная была непрозрачной, пока ее температура не упала примернодо 3000К; тогда свет стал распространяться без помех.) По мере сжатияВселенная, естественно, будет проходить те же стадии, что и при созданииВселенной, но в обратном порядке. Температура будет расти, и сокращающиесяинтервалы времени начнут играть все большую роль. Наконец галактики тожеиспарятся и превратятся в первичный «суп» из ядер, а затем распадутся и ядра.На этом этапе Вселенная станет крохотной и состоящей только из излучениякварков и черных дыр. В последнюю долю секунды коллапс дойдет почти досингулярности. Что будет дальше – неизвестно, поскольку нет теории, котораягодилась бы для описания сверхбольших плотностей, возникающих до появлениясингулярности, можно лишь строить предположения.

Втеории замкнутой Вселенной появилась так называемая идея «отскока» – внезапногопрекращения сжатия, нового Большого Взрыва и нового расширения. Одной из причинпервоначального введения идеи отскока была возможность обойти неприятную сточки зрения многих астрономов проблему возникновения Вселенной. Если отскокпроизошел один раз, то он мог случаться неоднократно, может быть, бесчисленноеколичество раз, поэтому не нужно и беспокоиться о начале времен. К сожалению,при подробной проработке такой идеи оказалось, что, и отскок не решаетпроблемы. В интервалах между отскоками звезды излучают значительное количествоэнергии, которая затем концентрируется при достижении состояния, близкого ксингулярности. Эта энергия должна постепенно накапливаться, из-за чегопромежуток времени между последовательными отскоками будет возрастать. Значит,в прошлом эти промежутки были короче, а когда-то, в пределе, промежутка не былововсе, т.е. мы приходим к тому, чего старались избежать, – проблеме началаВселенной. Согласно расчетам, от начала нас должно отделять не более 100 цикловрасширений и сжатий.

Многиепредпринимали попытки обойти эту проблему. Томми Голд, например, разработалтеорию, согласно которой в момент наибольшего расширения время начинает течьвспять. Излучение устремится обратно к звездам и Вселенная «омолодится». Втаком случае она будет равномерно осциллировать между коллапсом и максимальнымрасширением. Весьма интересную, но очень спорную теорию предложил Джон Уиллер.Воспользовавшись идеей Хокинга, согласно которой фундаментальные константы«теряют» свои числовые значения при достаточно высоких плотностях, он показал,что цикл осцилляции не обязательно должен удлиняться. Из-за принципанеопределенности значения констант утрачиваются, когда Вселенная сжимается допочти бесконечной плотности. После возможного отскока и нового расширения этиконстанты могут получить совершенно иные значения. Продолжительность циклов втаких обстоятельствах также будет меняться, но случайным образом; одни циклыстанут очень длинными, а другие короткими. Согласно противоположной теории,открытая Вселенная будет расширяться вечно. Первые события будут, конечно, аналогичнытем, которые происходят в замкнутой Вселенной. Звезды постепенно постареют,превратившись с течением времени в красных гигантов, либо взорвутся, либомедленно сколлапсируют и умрут. Некоторые из них, прежде чем погаснуть,столкнутся с другими звездами. Такие столкновения очень редки, и с моментаобразования нашей Галактики (по крайней мере, в ее внешних областях, где мыобитаем) их было совсем немного. Однако за триллионы и триллионы триллионов леттаких столкновений произойдет множество. Часть из них лишь сбросит впространство планеты, а в результате других звезды окажутся на совершенно иныхорбитах, некоторые даже вне пределов нашей Галактики. Если подождать достаточнодолго, то нам покажется, что внешние области галактик испаряются.

Невыброшенные из галактик звезды в результате столкновений, скорее всего, будутпритягиваться к центру, который, в конце концов, превратится в чернуюгигантскую дыру. Примерно через 10 (18) лет большинство галактик будет состоятьиз массивных черных дыр, окруженных роем белых карликов, нейтронных звезд,черных дыр, планет и различных частиц.

Дальнейшиесобытия вытекают из современной единой теории поля, называемой теорией великогообъединения. Из этой теории следует, что протон распадается примерно за 10 (31)лет. Сейчас ведется несколько экспериментов по обнаружению такого распада, азначит, и по проверке теории, Согласно ей, протоны должны распадаться наэлектроны, позитроны, нейтрино и фотоны. Отсюда следует, что, в конце концов,все, что состоит во Вселенной из протонов и нейтронов (а их не содержат толькочерные дыры), распадется на эти частицы. Вселенная превратится в смесь из них ичерных дыр, и будет находиться в таком состоянии очень, очень долго.Когда-нибудь испарятся маленькие черные дыры, а вот с большими возникнуттрудности. Фоновое излучение к тому времени будет очень холодным, но все же еготемпература останется чуть выше, чем у черных дыр. Однако по мере расширенияВселенной ситуация изменится – температура излучения станет ниже, чем наповерхности черных дыр, и те начнут испаряться, медленно уменьшаясь в размерах;на это потребуется примерно 10 (100) лет. Затем Вселенную заполнят электроны ипозитроны, которые, вращаясь, друг вокруг друга, образуют огромные «атомы». Нопостепенно позитроны и электроны, двигаясь по спирали, столкнутся ианнигилируют, в результате чего останутся только фотоны. Во Вселенной не будетничего, кроме излучения.

Мырассмотрели судьбу как открытой, так и закрытой Вселенной. Что ее ждет, поканеизвестно. Если даже Вселенная когда-нибудь сколлапсирует, неизвестно,произойдет ли потом «отскок». Одна из трудностей, на которую наталкиваетсятрадиционная теория Большого взрыва, – необходимость объяснить, откуда беретсяколоссальное количество энергии, требующееся для рождения частиц. Не так давновнимание ученых привлекла видоизмененная теория Большого взрыва, котораяпредлагает I ответ на этот вопрос. Она носит название теории раздувания, и былапредложена в 1980 году сотрудником Массачусетского технологического институтаАланом Гутом. Основное отличие теории раздувания от традиционной теорииБольшого взрыва заключается в описании периода с 10 (-35) до 10 (-32) с. Потеории Гута примерно через 10 (-35) с Вселенная переходит в состояние«псевдовакуума», при котором ее энергия исключительно велика. Из-за этогопроисходит чрезвычайно быстрое расширение, гораздо более быстрое, чем по теорииБольшого взрыва (оно называется раздуванием). Через 10 (-35) с послеобразования Вселенная не содержала ничего кроме черных мини-дыр и «обрывков»пространства, поэтому при резком раздувании образовалась не одна вселенная, амножество, причем некоторые, возможно, были вложены друг в друга. Каждый изучастков пены превратился в отдельную вселенную, и мы живем в одной из них.Отсюда следует, что может существовать много других вселенных, недоступных длянашего наблюдения. Хотя в этой теории удается обойти ряд трудностейтрадиционной теории Большого взрыва, она и сама не свободна от недостатков.Например, трудно объяснить, почему, начавшись, раздувание, в конце концов,прекращается. От этого недостатка удалось освободиться в новом варианте теориираздувания, появившемся в 1981 году, но в нем тоже есть свои трудности.

Жизнь воВселенной

Изучениежизни во Вселенной – одна из сложнейших задач, с которой когда-либо встречалосьчеловечество. Человек еще не побывал на других небесных телах, не видел пиодного внеземного живого организма. Все данные о жизни вне Земли, все безисключения, носят чисто гипотетический характер. Поэтому только глубокоеисследование биологических закономерностей, с одной стороны, и космическихявлений, – с другой, тщательнейшее сопоставление и анализ разнообразных данных,накопленных различными естественными науками, способны привести к успеху. Впоследние годы, в связи с успехами астрономии, биологии, физики и техникивозникла самостоятельная научная дисциплина – «экзобиология». Ее основнаязадача – исследование небесных тел, в первую очередь планет солнечной системы иметеоритов, с точки зрения биологии. Кроме того, экзобиология занимается проблемами,близкими к космонавтике: изучением воздействия космических факторов на живыеорганизмы. На первый взгляд может показаться, что вопрос о жизни во Вселенной –в ‘значительной степени отвлеченная проблема. Однако это не так. Исследованиевнеземных, космических форм жизни помогло бы человеку, во-первых, понятьсущность жизни, т.е. то, что отличает все живые организмы от неорганическойприроды, во-вторых, выяснить пути возникновения и развития жизни и, в-третьих,определить место и роль человека во Вселенной. Кроме того, изучениеособенностей жизни во Вселенной, ее приспособляемости к необычным с пашейземной точки зрения условиям намного расширило бы научные представления ожизненных процессах и помогло решить целый ряд практических задач земнойбиологии, медицины, сельского хозяйства.

Сейчасможно считать достаточно твердо установленным, что на нашей собственной планетежизнь возникла в отдаленном прошлом из неживой, неорганической материи приопределенных внешних условиях. Из числа этих условий можно выделить триглавных. Прежде всего, это присутствие воды, которая входит в состав живоговещества, живой клетки. Во-вторых, наличие газовой атмосферы, необходимой длягазового обмена организма с внешней средой. Правда, можно представить себе икакую-либо иную среду, например, жидкую (в частности, водную), в которой можетпроисходить газовый обмен. Однако все же есть основания предполагать, чтогазовая среда создает более широкие возможности для прогрессивного развитияживых организмов. Третьим условием является наличие на поверхности данногонебесного тела подходящего диапазона температур. Помимо этого, необходимавнешняя энергия для синтеза молекулы живого вещества из исходных органическихмолекул, например, энергия космических лучей или ультрафиолетовой радиации илиэнергия электрических разрядов. Внешняя энергия нужна и для последующейжизнедеятельности живых организмов. В частности, мы сами получаем эту энергию спищей, которая представляет собой не что иное, как своеобразный «концентрат»солнечной энергии. Условия, необходимые для возникновения жизни, в свое времясложились па нашей планете. И поскольку эти условия сложились естественнымпутем, в ходе эволюции Земли, нет никаких оснований считать, что они не могутскладываться и в процессе развития других небесных тел.

Советскийученый, академик А.И. Опарин, автор популярной теории происхождения жизни,считает, что она должна была появиться тогда, когда поверхность нашей планетыпредставляла собой сплошной океан. Сначала в результате соединения углерода сводородом и азотом возникли простейшие органические соединения. Затем в водахпервичного океана молекулы этих соединений объединились и укрупнились, образуясложный раствор органических веществ. Наконец, на третьей стадии из этой средывыделились комплексы молекул, которые и дали начало первичным живым организмам.

Посколькухимическую основу жизни земного типа составляют соединения углерода, интереснооценить, насколько велика распространенность этого элемента и его соединений воВселенной. Оказывается, достаточно велика! Во всяком случае, мы обнаруживаемуглерод в газовых оболочках других планет, в атмосферах звезд, в ядрах комет идаже в облаках межзвездной материн. В этой связи интересно упомянуть об однойгипотезе, выдвинутой не так давно Оро и поддержанной известным советским ученымакадемиком В.Г Фесеиковым. Фесенков обратил внимание на то, что своеобразнымипереносчиками если не самой жизни, то, по крайней мере, ее исходных элементовмогут быть кометы. В ядрах этих небесных тел содержится не только углерод, но ициан, окись и двуокись углерода, кислород, азот, метан и аммиак, т.е. как разте самые элементарные кирпичики, из которых, согласно теории Опарина, возникаютпутем постепенного усложнения комплексы молекул, из которых в конечном итогеобразуется живое вещество. Любопытны также выводы, к которым пришел совет-скипученый Ковальский. Он считает, что при ударах кометных ядер о поверхностьпланет развиваются высокие давления, которые могут приводить к синтезу такиххимических соединений, которые служат ступенью к образованию живого вещества. Впечати появился также ряд сообщений о том, что углеводороды находили и вметеоритах. Действительно, углеводороды типа горного воска были обнаружены вметеоритах еще более ста лет назад. Но в последнее время исследования подобногорода проводились особенно интенсивно. Ученым удалось выделить из метеоритовсложные органические вещества, весьма близкие к тем, которые мы находим в живыхорганизмах. Однако, по мнению ряда крупных ученых, в том числе академикаОпарина, это вовсе еще не означает, что эти вещества каким-то образом связаны сявлениями жизни. Опыты показывают, что они могли образоваться в метеоритах ичисто химическим путем. Имеются также сообщения о том, что в некоторых тинахметеоритов обнаружены структурные образования, так называемые «организованныеэлементы»; некоторые исследователи считают их остатками живых организмов. Нопри оценке этих данных необходимо учитывать одно важное обстоятельство. Дело втом, что подобные структуры, иногда весьма похожие по строению на живые формы,могут возникать чисто химическим путем, без каких-либо жизненных процессов. Вто же время с астрономической точки зрения весьма трудно представить себевозможность возникновения и существования живых организмов на метеоритах. Чтоже касается гипотезы о переносе жизни кометами, то она хорошо согласуется срезультатами некоторых лабораторных экспериментов, в ходе которых газообразнаясмесь водяных паров циана и аммиака подвергалась на протяжении ряда недельвоздействию ультрафиолетовых лучей и тихих электрических разрядов. По истеченииэтого срока в смеси возникали составные части белков и нуклеиновых кислот – веществ,составляющих химическую основу жизни. В других опытах в условиях, также близкихк тем, какие имеются в кометах, наблюдалось образование трехфосфорногоаденозина. Это один из тех биологических катализаторов – «энзимой», которыеуправляют процессами, усложняющими первичное белковое вещество до простейшегоорганизма. Не исключена, поэтому возможность, что на определенной стадии своегоразвития наша Земля, встретившись с кометой, получила от нее тот исходныйхимический материал, который мог ускорить течение процессов, ведущих квозникновению жизни. Согласно современным представлениям, кометы образовались входе единого процесса формирования пашей планетной системы. Вполне естественнопредположить, что кометы имеются и в других планетных системах, а это значит,что и в других планетных системах, вероятно, существуют в исходном виденеобходимые химические вещества для построения жизни. Таким образом,первоначальные продукты для образования живого вещества как будто налицо. Новедь это только исходные предпосылки для возникновения жизни. Что же касаетсятех или иных путей формирования и развития живых организмов, то онинепосредственно зависят от конкретных физических условий, от условий внешнейсреды. В данном случае речь идет не о приспособляемости организмов, оказавшихсяв необычных условиях, а о том, что живые организмы отражают внешние условия,другими словами, их свойства складываются в процессе естественной эволюции. Всеэто приводит пас к заключению, что, с одной стороны, жизнь должна иметьдостаточно широкое распространение во Вселенной и что, с другой стороны, вприроде, вероятно, существует великое многообразие ее форм.

Проблемапоиска внеземных цивилизаций

Однойиз самых интересных тем астрономии является возможность существования внеземныхцивилизаций. По этой теме постоянно продолжаются дискуссии, и единого мнения несуществует. Но большинство современных астрономов и философов считают, чтожизнь – распространенное явление во Вселенной и существует множество миров, накоторых обитают цивилизации. Уровень развития некоторых внеземных цивилизацийможет быть неизмеримо выше уровня развития земной цивилизации. Именно с такимицивилизациями землянам особенно интересно установить контакт. На развитиемнения о множестве цивилизаций повлияло несколько аргументов.

Во-первых, в Метагалактике естьогромное число звезд, похожих на наше Солнце, а следовательно планетные системымогут существовать не только у Солнца. И более того исследования показали, чтонекоторые звезды определенных спектральных классов вращаются медленно вокругсвоей оси, что может быть вызвано наличием вокруг этих звезд планетных систем.

Во-вторых, при соответствующихусловиях жизнь могла возникнуть на планетах других звезд по типу эволюционногоразвития жизни на Земле. Молекулярные соединения, необходимые для начальнойстадии эволюции неживой природе, достаточно распространены во Вселенной иоткрыты даже в межзвездной среде.

В-третьих, возможно существованиенебелковых форм жизни, принципиально отличных от тех, которые распространены наЗемле. Однако ничего конкретного о них науке не известно.

Невсе ученые столь оптимистически относятся к проблеме внеземных цивилизаций.Сторонники противоположной точки зрения считают, что жизнь, и особенно разумнаяжизнь, – исключительно редкое, а может быть, и уникальное явление воВселенной.

Итак,внеземные цивилизации по прежнему относятся к числу гипотетических объектов,поиск которых представляет огромный интерес. Продолжаются споры о реальностивнеземных цивилизаций, но лишь дальнейшие наблюдения и эксперименты позволятвыяснить, существуют ли где-нибудь обитаемые миры или мы одиноки, по крайнеймере, в пределах нашей Галактики.

Заключение

 

Вселенная развивается и в наше время. В спиральных галактиках рождаются и умирают звезды. Вселенная продолжает расширяться. Мы знаем строение Вселенной в огромном объеме пространства, для пересечения которого свету требуются миллиарды лет. Но пытливая мысль человека стремится проникнуть дальше. Что лежит за границами наблюдаемой области мира? Бесконечна ли Вселенная по объему? И её расширение – почему оно началось и будет ли оно всегда продолжаться в будущем? А каково происхождение «скрытой» массы? И наконец, как зародилась разумная жизнь во Вселенной? Есть ли она ещё где-нибудь кроме нашей планеты? Окончательные и полные ответы на эти вопросы пока отсутствуют. Вселенная неисчерпаема. Неутомима и жажда знания, заставляющая людей задавать всё новые и новые вопросы о мире и настойчиво искать ответы на них. Наши дни с полным основанием называют золотым веком астрофизики – замечательные и чаще всего неожиданные открытия в мире звезд следуют сейчас одно за другим. Мы живем в эпоху поразительных научных открытий и великих свершений. Самые невероятные фантазии неожиданно быстро реализуются. С давних пор люди мечтали разгадать тайны Галактик, разбросанных в беспредельных просторах Вселенной. Приходится только поражаться, как быстро наука выдвигает различные гипотезы и тут же их опровергает. Однако астрономия не стоит на месте: появляются новые способы наблюдения, модернизируются старые. С изобретением радиотелескопов, например, астрономы могут «заглянуть» на расстояния, которые еще в 40-x. годах ХХ столетия казались недоступными. Однако надо себе ясно представить огромную величину этого пути и те колоссальные трудности, с которыми еще предстоит встретиться на пути к звездам.

Изучение Вселенной, даже только известной нам её части является грандиозной

задачей. Чтобы получить те сведения, которыми располагают современные ученые, понадобились труды множества поколений. Вселенная бесконечна во времени и пространстве. Каждая частичка Вселенной имеет свое начало и конец, как во времени, так и в пространстве, но вся Вселенная бесконечна и вечна так, как она является вечно самодвижущейся материей.

Вселенная – это всё существующее. От мельчайших пылинок и атомов до огромных скоплений вещества звездных миров и звездных систем.

Список используемой литературы

1. Рузавин Г.И. Концепциисовременного естествознания. – М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1999. –288 с. filam.ru/view_manuel.php? id=97

2. Хорошавина С.Г. Концепции современногоестествознания. Курс лекций. – Ростов н/Д: Феникс, 2005. – 480 с.www.alleng.ru/d/natur/nat017.htm

3. Самыгин С.И. Концепциисовременного естествознания: Сер. «Учебники и учебные пособия». – Ростов наДону: «Феникс», 1997. – 448 с. www.alleng.ru/d/natur/nat009.htm

4. Иорданский Н.Н. Эволюцияжизни. Учебное пособие для студ. высш. пед. учеб. заведений. – М.: Академия,2001. – 432 с. www.alleng.ru/d/natur/nat020.htm

5. Фридман А.А. Миркак пространство и время. – М.: Наука, 1965. –110 с.ivanik3.narod.ru/linksBooksTO.html

6. Климишин И.А. ОткрытиеВселенной. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат лит., 1987. – 320 с.