Гипотезы происхождения Вселенной

Объем такой Вселенной может быть выражен, хотя и очень большим, но конечным числом кубометров. Но конечная по объему Вселенная в то же время безгранична, как поверхность любой сферы. Вселенная Эйнштейна содержит ограниченное число звезд и звездных систем, и поэтому к ней неприменимы фотометрический и гравитационный парадоксы. В то же время призрак тепловой смерти тяготеет и над Вселенной Эйнштейна. Вечность ей не присуща.

Таким образом, несмотря на новизну и даже революционность идей, Эйнштейн в своей космологической теории ориентировался на привычную классическую мировоззренческую установку на статичность мира.

 

3. Модель расширяющейся Вселенной. В 1922 г., советский геофизик и математик А.А. Фридман на основании строгих расчетов установил, что Вселенная никак не может быть стационарной. Фридман сделал это открытие, опираясь на сформулированный им космологический принцип, строящийся на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной.

Фридман доказал, что уравнения Эйнштейна имеют решения, согласно которым Вселенная может расширяться либо сжиматься. При этом речь шла о расширении самого пространства, т.е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.

Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий. Это было истолковано как следствие эффекта Доплера – изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. Красное смещение было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием (примерно 55 км/с на каждый миллион парсек).

В результате своих наблюдений Хаббл обосновал представление, согласно которому Вселенная – это множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями.

Фридман предложил три модели Вселенной.

1. Вселенная расширяется медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого Вселенная начинала сжиматься. В этой модели пространство искривляется, образуя сферу.

2. Вселенная расширяется бесконечно, пространство искривлено и бесконечно.

3. пространство плоское и бесконечное.

По какому из этих вариантов идет эволюция Вселенной, зависит от отношения гравитационной энергии к кинетической энергии разлета вещества.

Если кинетическая энергия разлета вещества преобладает над гравитационной энергией, препятствующей разлету, то силы тяготения не остановят разбегания галактик, и расширение Вселенной будет носить необратимый характер. Этот вариант динамичной модели Вселенной называют «открытой Вселенной».

Если же преобладает гравитационное взаимодействие, то темп расширения со временем замедлится до полной остановки, после чего начнется сжатие вещества вплоть до возврата Вселенной в исходное состояние сингулярности. Такой вариант модели назван осциллирующей, или «закрытой Вселенной».

В случае, когда силы гравитации равны энергии разлета вещества, расширение не прекратится, но его скорость со временем будет стремиться к нулю.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 3. Теории  ХХ века о происхождении  Вселенной.

 

Следующий этап в развитии космологии относится к ХХ веку, когда советский ученый А. А. Фридман (1888-1925) математически доказал идею саморазвивающейся Вселенной. Работа А. А. Фридмана в корне изменила основоположения прежнего научного мировоззрения.

В чисто математическом смысле сингулярное состояние предстает как ничто — геометрическая сущность нулевого размера. В физическом же плане сингулярность предстает как весьма своеобразное состояние, в котором плотность вещества и кривизна пространства-времени бесконечны. Вся сверхгорячая, сверхискривленная и сверхплотная космическая материя буквально стянута в точку и может, по образному выражению американского физика Дж. Уилера, «протискиваться сквозь игольное ушко».

Переходя к оценке современного взгляда на сингулярное начало Вселенной, необходимо обратить внимание на следующие важные особенности рассматриваемой проблемы в целом.

Во-первых, понятие начальной сингулярности имеет достаточно конкретное физическое содержание, которое по мере развития науки все более детализируется и уточняется. В этом отношении его следует рассматривать не как понятийную фиксацию абсолютного начала «всех вещей и событий», а как начало эволюции того фрагмента космической материи, который на современном уровне развития естествознания стал объектом научного познания.

Во-вторых, если, по современным космологическим данным, эволюция Вселенной началась 15-20 миллиардов лет назад, то это вовсе не значит, что до того Вселенная еще не существовала или же пребывала в состоянии вечного застоя.

 

 

3.1 «Начало» Вселенной. Концепция « Большого взрыва».

Достижения науки расширяли возможности в познании окружающего Человека мира. Предпринимались новые попытки объяснить с чего же все началось. Жорж Леметр был первым, кто поставил вопрос о происхождении наблюдаемой крупномасштабной структуры Вселенной. Им была выдвинута концепция «Большого Взрыва» так называемого «первобытного атома» и последующего превращения его осколков в звезды и галактики.

«Начало» Вселенной. Основная идея концепции Большого взрыва состоит в том, что Вселенная на ранних стадиях возникновения имела неустойчивое вакуумоподобное состояние с большой плотностью энергии, возникшей из квантового излучения, т.е. из ничего. В вакууме отсутствуют фиксируемые частицы, поля и волны, но пока вакуум находится в равновесном состоянии, в нем существуют виртуальные частицы, которые берут у вакуума энергию на короткий промежуток времени, чтобы родиться, быстро вернуть занятую энергию и исчезнуть. Когда же вакуум по какой-то причине в некоторой исходной точке вышел из состояния равновесия, то виртуальные частицы стали схватывать энергию без отдачи и превращаться в реальные. Поэтому в определенной точке пространства образовалось огромное количество последних. Когда же возбужденный вакуум разрушился, высвободилась гигантская энергия излучения, а суперсила сжала частицы в сверхплотную материю. Начинается стремительное расширение Вселенной, возникают время и пространство.

Инфляционный период - с после начала расширения Вселенной, за которые ее размеры увеличились в раз.

К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной, но когда инфляция иссякла, Вселенная стала чрезвычайно «горячей». С этого момента Вселенная развивается стандартно согласно теории «горячего» Большого взрыва.

Ранний этап эволюции Вселенной. Эволюция Вселенной происходило поэтапно, и сопровождалась, с одной стороны, дифференциацией, а с другой – усложнением ее структур. Этапы различаются характеристиками взаимодействия элементарных частиц и называются эрами.

Адронная эра продолжалась с. На этом этапе температура понизилась до К, появились все четыре фундаментальных взаимодействия, прекратилось свободное существование кварков.

Лептонная эра, продолжалась 1 с. Температура Вселенной понизилась до К. Главными ее элементами были лептоны. В конце этой эры вещество стало прозрачным для нейтрино.

Эра излучения продолжалась 1 млн лет. За это время температура Вселенной снизилась с 10 млрд К до 3000 К. На протяжении данного этапа происходило соединение протонов и нейтронов. К концу этого этапа Вселенная стала прозрачной для фотонов, так как излучение отделилось от вещества и образовало реликтовое излучение.

Затем почти 500 тыс. лет не происходило никаких качественных изменений – шло медленное остывание и расширение Вселенной. Когда она остыла до 3000 к, образовалась однородная Вселенная.

После Большого взрыва образовавшееся вещество и электромагнитное поле были рассеяны и представляли собой газовопылевое облако и электромагнитный фон. Спустя 1 млрд лет после образования Вселенной из случайных уплотнений вещества стали появляться галактики и звезды.

Галактики существуют в виде групп (несколько галактик), скоплений (сотни галактик) и облаков скоплений (тысячи галактик). Одиночные галактики во Вселенной встречаются очень редко. Средние расстояние между галактиками в группах и скоплениях в 10-20 раз больше, чем размеры самых крупных галактик. Гигантские галактики имеют размеры до 18 млн световых лет. Пространство между галактиками заполнено газом, пылью и разного рода излучениями.

Звезды рождаются из космического вещества в результате его конденсации под действием гравитационных, магнитных и других сил.

Рождение звезд в галактике происходит непрерывно. Этот процесс компенсирует также непрерывно происходящую смерть звезд. Источник собственного свечения звезд – термоядерная реакция, превращающая водород в гелий.

С момента начала этой реакции звезда переходит на главную последовательность, в соответствии с которой будут изменяться с течением времени ее характеристики: светимость, температура, радиус, химический состав и масса.

Конечно, с высоты современного астрофизического знания данная концепция представляет лишь исторический интерес, но сама идея первоначального взрывоопасного движения космической материи и ее последующего эволюционного развития неотъемлемой частью вошла в современную научную картину мира.

 

 

3.2 Теория Космических струн.

"Большого взрыва" современным  теоретикам показалось мало, чтобы  окончательно запутать картину  Вселенной. Именно так! Раньше наука  стремилась к простоте понимания  мира. Теперь же ее идеал - запутанный  клубок проблем, порождающих другие проблемы. Так, в качестве развития экзотических релятивистских моделей стали предлагаться не менее экстравагантные их продолжения и следствия. Одним из них явилась теория так называемых космических струн.

Вселенная довольно неоднородна: звезды собраны в галактики, а галактики в свою очередь образуют скопления. С течением времени Вселенная становится все более клочковатой по мере того, как гравитационная сила скоплений галактик притягивает галактики из соседних областей. В современных теориях образования галактик предполагается, что в прошлом Вселенная была гораздо более однородной, чем сейчас, и что все галактики и скопления галактик выросли из небольших флуктуаций, существовавших на фоне почти однородного распределения вещества. Следствия из этих теорий изучались очень подробно, но среди множества вопросов выделяется один фундаментальный: что это за флуктуации и откуда они появились?

Обратимся к космическим струнам - экзотическим невидимым образованиям, порожденным теориями элементарных частиц. Струны - это нити, оставшиеся от вещества только что родившейся Вселенной. Они невероятно плотные и подвижные: перемешаются со скоростью света и искривляют пространство вокруг себя. Появившиеся в первую секунду от начала расширения Вселенной, струны образуют запутанные клубки, при бесконечном растяжении которых возникают петли. Эти петли энергично колеблются и в процессе колебаний постепенно рассеивают свою энергию.

Никто не может с уверенностью сказать, что струны есть, но если они существуют, то это, как полагают многие физики, могло бы объяснить клочковатость распределения вещества во Вселенной. Очень массивные петли могли бы создавать гравитационное притяжение достаточно сильное, чтобы зарождались галактики и скопления галактик. Однако такие петли долго не существуют, так что, если даже когда-то во Вселенной их было много, к настоящему времени большинство из них исчезло.

Менее массивные струны могли бы существовать и до сих пор, но пока они не обнаружены. И все же, приложив достаточно усилий и использовав самую чувствительную аппаратуру, астрономы могли бы опровергнуть или подтвердить гипотезу о существовании космических струн в течение нескольких лет. Поиск космических струн связан с большими ожиданиями, поскольку их обнаружение откроет путь к основам строения вещества и тайне рождения Вселенной. Чтобы разобраться в этом, необходимо рассмотреть само понятие струн как в физике элементарных частиц, так и в космологии.

Поскольку Вселенная, согласно релятивистской теории струн, родилась из нулевой точки не менее 15 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва, постольку она продолжает расширяться и в настоящее время: далекие галактики движутся от Земли с очень большими скоростями. Привлекая данные астрономических наблюдений и законы физики элементарных частиц, ученые могут восстановить историю Вселенной в прошлом вплоть до момента, когда возраст Вселенной составлял долю секунды от начала Большого взрыва. Тогда не существовало галактик, звезд и даже атомов. Вселенная представляла собой просто гигантский плотный горячий шар из таких частиц, как электроны и фотоны.

Природа частиц и их взаимодействие определяются вакуумом. Для физиков вакуум - это состояние с минимальной энергией, достигаемое при отсутствии каких-либо частиц. Связь между элементарными частицами и вакуумом подобна связи между звуковыми волнами и веществом, в котором эти волны распространяются: типы волн и скорость их распространения различны в разных средах. Поскольку характеристики вакуума не всегда были неизменными, свойства и взаимодействия элементарных частиц также менялись.