Модели возникновения вселенной

  юбая космологическая модель Вселенной опирается на определенную теорию гравитации. Таких теорий много, но лишь некоторые из них удовлетворяют наблюдаемым явлениям. Теория тяготения Ньютона не удовлетворяет им даже в пределах Солнечной системы. Лучше всех согласуется с наблюдениями общая теория относительности Эйнштейна, на основе которой русский метеоролог А.Фридман в 1922 и бельгийский аббат и математик Ж.Леметр в 1927 математически описали расширение Вселенной. Из космологического принципа, постулирующего пространственную однородность и изотропность мира, они получили модель Большого взрыва. Их вывод подтвердился, когда Хаббл обнаружил связь между расстоянием и скоростью разбегания галактик. Второе важное предсказание этой модели, сделанное Г. Гамовым, касалось реликтового излучения, наблюдаемого сейчас как остаток эпохи Большого взрыва. Другие космологические модели не могут так же естественно объяснить это изотропное фоновое излучение.

  Горячий Большой взрыв. Согласно космологической модели Фридмана - Леметра, Вселенная возникла в момент Большого взрыва - ок. 20 млрд. лет назад, и ее расширение продолжается до сих пор, постепенно замедляясь. В первое мгновение взрыва материя Вселенной имела бесконечные плотность и температуру; такое состояние называют сингулярностью. Согласно общей теории относительности, гравитация не является реальной силой, а есть искривление пространства-времени: чем больше плотность материи, тем сильнее искривление. В момент начальной сингулярности искривление тоже было бесконечным. Можно выразить бесконечную кривизну пространства-времени другими словами, сказав, что в начальный момент материя и пространство одновременно взорвались везде во Вселенной. По мере увеличения объема пространства расширяющейся Вселенной плотность материи в ней падает. С.Хокинг и Р.Пенроуз доказали, что в прошлом непременно было сингулярное состояние, если общая теория относительности применима для описания физических процессов в очень ранней Вселенной.

  МОДЕЛИ  БОЛЬШОГО ВЗРЫВА представлены тремя  важнейшими типами: стандартной открытой моделью, стандартной замкнутой  и моделью Леметра. По горизонтали отложено время, по вертикали - расстояние между любыми двумя достаточно удаленными друг от друга (чтобы исключить их взаимодействие) галактиками. Кружком отмечена наша эпоха. Если бы Вселенная всегда расширялась с нынешней скоростью, выраженной постоянной Хаббла Н, то это началось бы около 20 млрд. лет назад и происходило так, как показано диагональным пунктиром. Если расширение замедляется, как в открытой модели пространственно безграничного мира или в замкнутой модели ограниченного мира, то возраст Вселенной меньше, чем 1/Н. Наименьший возраст у замкнутой модели, расширение которой быстро замедляется и сменяется сжатием. Модель Леметра описывает Вселенную, возраст которой значительно больше, чем 1/Н, поскольку в ее истории есть длительный период, когда расширения почти не происходило. Модель Леметра и открытая модель описывают Вселенную, которая всегда будет расширяться.

  СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА: время отложено по вертикали, а расстояния - по горизонтали. Горизонтальные линии отмечают характерные  моменты эволюции, а отсеченные ими  треугольники показывают область Вселенной, доступную наблюдателю в этот момент. Чем больше времени прошло от начала расширения, тем большая  область становится доступной для  наблюдения. В различные эпохи  доминировали разные формы материи: хотя доминирует вещество атомных ядер (нуклонов), до этого, когда Вселенная  была горячей, доминировало излучение (фотоны), а еще раньше - легкие элементарные частицы (лептоны) и тяжелые (адроны).

    Чтобы Вселенная была замкнута, средняя плотность материи в  ней должна превышать определенное  критическое значение. Распределение  галактик в пространстве весьма  неоднородно. Наша Местная группа  галактик, включающая Млечный Путь, Туманность Андромеды и несколько  галактик поменьше, лежит на периферии  огромной системы галактик, известной  как Сверхскопление в Деве (Virgo), центр которого совпадает со скоплением галактик Virgo. Наблюдения скорее согласуются с открытой моделью.

  Альтернативные  космологические  модели 1. Модель, симметричная относительно материи и антиматерии, предполагает равное присутствие этих двух видов вещества во Вселенной. Хотя очевидно, что наша Галактика практически не содержит антивещества, соседние звездные системы вполне могли бы целиком состоять из него; при этом их излучение было бы точно таким же, как у нормальных галактик. Однако в более ранние эпохи расширения, когда вещество и антивещество были в более тесном контакте, их аннигиляция должна была рождать мощное гамма-излучение. Наблюдения его не обнаруживают, что делает симметричную модель маловероятной. 2. В модели Холодного Большого взрыва предполагается, что расширение началось при температуре абсолютного нуля. Эта теория привлекательна тем, что вещество в ней подвержено фрагментации, а это необходимо для объяснения крупномасштабной неоднородности Вселенной. 3. Стационарная космологическая модель предполагает непрерывное рождение вещества. Основное положение этой теории, известное как Идеальный космологический принцип, утверждает, что Вселенная всегда была и останется такой, как сейчас. Наблюдения опровергают это. 4. Рассматриваются измененные варианты эйнштейновской теории гравитации. Например, теория К. Бранса и Р. Дикке из Принстона в общем согласуется с наблюдениями в пределах Солнечной системы. Модель Бранса - Дикке, а также более радикальная модель Ф. Хойла, в которой некоторые фундаментальные постоянные изменяются со временем, имеют почти такие же космологические параметры в нашу эпоху, как и модель Большого взрыва. 5. На основе модифицированной эйнштейновской теории Ж. Леметр в 1925 построил космологическую модель, объединяющую Большой взрыв с длительной фазой спокойного состояния, в течение которой могли формироваться галактики. Эйнштейн заинтересовался этой возможностью, чтобы обосновать свою любимую космологическую модель статической Вселенной, но когда было открыто расширение Вселенной, он публично отказался от нее

  Вселенная конечна 

         В модели расширяющейся Вселенной  учёные рассчитали количество  времени, прошедшее с того момента,  когда Вселенная начала существовать. Это время оказалось порядка  нескольких миллиардов лет, (разные  учёные приводят различные значения, но не более 22 млрд. лет).

         Так вот, астрономы, астрофизики,  биологи считают, что в отличие  от прежней модели бесконечной  Вселенной в новой модели конечной  Вселенной миллиарды лет это  чрезвычайно малый период времени,  чтобы атомы могли случайно  преобразоваться в живую материю.  Необходимо вмешательство Конструктора. Сразу было выдвинуто несколько  иных, отличных от теории Большого  взрыва, моделей Вселенной, основными  из которых являются: Вселенная  стационарного состояния Томаса  Голда и Фреда Хойла, модель плазменной Вселенной Ганса Альвена и модель пульсирующей Вселенной. Не вдаваясь в подробности этих моделей, скажу что со временем была доказана их полная несостоятельность, особенно после того, как в 90-х годах были получены результаты исследования.

  Большой взрыв 

         Согласно этой теории, нынешней  материи и энергии предшествовало  состояние бесконечных или близких к бесконечным значениям плотности, давления и температуры. Иными словами, Вселенная возникла из очень малого объёма, намного меньшего, чем точка, которую мы ставим в конце предложения.

         Физики так глубоко разработали  теорию Большого взрыва, что к  настоящему времени могут объяснить  процессы, происходившие во Вселенной  с момента, когда ей было 10 в  минус 43 степени секунды. 

         Так теория предсказывает, что  современную Вселенную должно  пронизывать так называемое "реликтовое" излучение с температурой всего  около 5 градусов выше абсолютного  нуля, т.е. 5 град. Кельвина или минус  268 град Цельсия. Это предсказал  наш учёный Гамов и его сотрудники  в 1948 году. Только к 1964 году  американцами был сконструирован  прибор необходимой точности  и измерено указанное излучение,  но только на длине радиоволн  из-за атмосферных помех. 

  Исследования  Космоса 

         В результате исследований космоса  с помощью спутника СОВЕ в  1990 г. на разных длинах волн  была измерена температура фонового  излучения в условиях открытого  космоса, она оказалась равной 2,735 гр. К и постоянной во всех направлениях, что подтвердило выводы Гамова.

         В 1992 году с помощью этого  же спутника были обнаружены  флуктуации (отклонения) в фоновом  излучении, предсказанные теорией  Большого взрыва, без которых не смогли бы возникнуть галактики и их скопления. Наконец, в 1994 г., с повышением точности измерений с 1 % до 0,3 %, была уточнена температура фонового излучения космоса ( 2,726 градуса К ), а, главное, результаты измерений во всём диапазоне длин волн совпали со спектром идеального излучателя.

  Но  в сентябре 1994 г. вступил в строй  самый большой оптический телескоп в мире "Кек" на Гавайях, с помощью которого удалось измерить температуру настолько удалённых космических газовых скоплений, что их излучение даёт информацию о Вселенной, которая была в 4 раза моложе, чем сейчас.

         Согласно модели горячего Большого  взрыва температура фонового  излучения Вселенной на той  ранней стадии развития должна  быть 7,58 гр. К, а наблюдения показали 7,4 плюс-минус 0,8 гр. К, что поразительно точно соответствует предсказанным.

  Подтверждение теории Большого взрыва

         К настоящему времени сделано  уже 8 крупных открытий, подтверждающих  теорию Большого взрыва как  начала возникновения Вселенной.  Более того, британские астрофизики  Хокинг, Эллис и Пенроуз расширили уравнения общей теории относительности Эйнштейна, включив в них пространство и время. Решение этих уравнений показывает, что пространство и время должны были возникнуть в том же Большом взрыве, который дал начало существованию энергии и материи.

  Образование Галактик

         Только 5 % всех наблюдаемых галактик имеют спиральную форму, такую как наша галактика "Млечный путь", остальные 95 % имеют эллиптическую или неправильную форму и в них жизнь возникнуть не может.

         В этой спиральной галактике  солнечная система должна находиться  в нужном месте спирального  рукава и на определённом расстоянии  от центра галактики, в противном  случае либо эта система не  получит достаточного количества  тяжёлых химических элементов  ( их поставляют так называемые сверхновые звёзды после своего взрыва), а также фтора (его поставляют белые карликовые звёзды ) либо жизнь будет уничтожена мощными излучениями радиации и выбросами материальных частиц.

         Без такой уникальной атмосферы не было бы и жизни на Земле. То же самое можно сказать о морской и пресной воде, о таких жизненно необходимых элементах как углерод, кислород, фосфор и о многом другом.

    Антропический принцип Хокинга

         Итак, мы видим, что Земля подготовлена  к жизни множеством взаимосвязанных  характеристик нашей галактики,  звезды-солнца, планет. Это научное  открытие называется антропическим принципом Хокинга. Современные учёные насчитывают на сегодняшний день свыше 40 характеристик (по Вселенной их было 26), без строго соблюдения которых жизнь на Земле была бы невозможной (в 1966 году было всего 2 такие характеристики, к концу 60-х годов уже 8, к концу 70-х - 23, к концу 80-х - 30, сейчас - более 40).

         Американский астрофизик Хью Росс произвёл оценку вероятности случайного совпадения 41 такой характеристики и получил величину равную 10 в минус 53 степени (вероятность события, меньшую чем 10 в минус 40 степени учёные считают практически невозможной).

         Действительно, учитывая что наблюдаемая Вселенная содержит менее 1 триллиона галактик, в каждой из которых имеется около 100 миллиардов звёзд, а на 1000 звёзд приходится по одной планете получим количество планет во Вселенной 10 в 20 степени (на 33 порядка меньше требуемого), т.е. ни на одной планете нет всех условий возникновения жизни, которые возникли бы самопроизвольно, исключительно за счёт природных процессов.

  Пересмотр теории ранней Вселенной

  Ответ на большую часть возникавших вопросов, подвергающих сомнению ТБВ удалось получить только после возникновения инфляционной теории. Инфляционная теория имеет долгую историю. Первую теория такого типа предложил в 1979 году член-корреспондент РАН Алексей Александрович Старобинский. Его теория была довольно сложной. В отличие от последующих работ, она не пытались объяснить, почему Вселенная большая, плоская, однородная, изотропная. Тем не менее, она имела многие важные черты инфляционной космологии.

  В 1980 г. сотрудник Массачусетского  технологического института Алан Гус (Alan Guth) в статье «Раздувающаяся Вселенная: возможное решение проблемы горизонта и плоскостности» изложил интересный сценарий раздувающейся Вселенной. Основным его отличием от традиционной теории Большого взрыва стало описание рождения мироздания в период с 10–35 до 10–32 с. Гус предположил, что в это время Вселенная была в состоянии так называемого «ложного» вакуума, при котором ее плотность энергии была исключительно велика. Поэтому расширение происходило быстрее, чем по теории Большого взрыва. Эта стадия экспоненциально быстрого расширения и была названа инфляцией (раздуванием) Вселенной. Затем ложный вакуум распадался, и его энергия переходила в энергию обычной материи.