Сучасна теорія еволюційного Всесвіту

Протягом першого мільйонної частки секунди, коли температуразначно перевищувала 10 12 К (за деякими оцінками до 10 14 І на), ащільність була неймовірно велика, відбувалися неймовірно швидко змінюютьсебе екзотичні взаємодії, недоступні розумінню в рамкахсучасної фізики. Ми можемо лише розмірковувати, якими були ці першімиті, наприклад, можливо, що чотири фундаментальні сили природи булизлиті воєдино. Є підстави вважати, що до кінця першої мільйонної часткисекунди вже існував первинний «бульйон» багатих енергією ( «гарячих»)часток випромінювання (фотонів) і часток речовини. Іншими словами матерія  
Всесвіту представляла собою електронно-позитронного пари (е-і е +); мюонаі антімюонамі (м - і м +); нейтрино і антинейтрино, як електронними (ve,ve), так і мюонним (vm, vm) і тау-нейтрино (vt, vt); нуклонами  
(протонами і нейтронами) і електромагнітним випромінюванням. Цясамовзаімодействующая маса знаходилася в стані так званоготеплової рівноваги.

У ті перші миті все були частки повинні були безперервновиникати (парами - частка і античастинка) і анігілювати. Це взаємнеперетворення частинок у випромінювання і назад тривало до тез пір, покищільність енергії фотонів перевищувала значення порогової енергії освітичастинок. Коли вік Всесвіту досяг однієї сотої долі секунди, їїтемпература впала приблизно до 10 11 К, ставши нижче граничного значення, приякому можуть народжуватися протони і нейтрони, деякі з цих частинокуникли анігіляції - інакше в сучасній нам Всесвіті не було бречовини. Через 1 секунду після Великого вибуху температура знизилася до  
10 10 К, і нейтрино перестали взаємодіяти з речовиною. Всесвітстала практично «прозорою» для нейтрино. Електрони і позитрони щепродовжували анігілювати і виникати знову, але приблизно через 10 секундрівень щільності енергії випромінювання впав нижче і їх порога, і величезна кількістьелектронів і позитронів перетворилося у випромінювання катастрофічного процесувзаємної анігіляції. По закінченню цього процесу, однак, залишилосяпевну кількість електронів, достатня, щоб, об'єднавшись зпротонами і нейтронами, дати початок тієї кількості речовини, що миспостерігаємо сьогодні у Всесвіті.

Існує два основних погляду на процес формування галактик.  
Перший полягає в тому, що в будь-який момент часу на зростаючій сумішіречовини і випромінювання могли існувати випадково розподілені області зщільністю вище середньої. У результаті сил тяжіння ці області спочаткувідокремилися у вигляді дуже протяжних згустків речовини. У цих згусткахпочався процес фрагментації, що привів до утворення хмар меншихрозмірів, які пізніше перетворилися на скупчення та окремі галактики,спостерігаються сьогодні. Далі в цих менших (по галактичним розмірами)згустках під дією сил тяжіння у випадкових неоднорідностях щільностіпочалося формування зірок. Інша точка зору дає інший сценарій:спочатку з флуктуацій щільності в розширюється первинному кулісформувалися численні (малі) галактики, які з плином часуоб'єдналися в скупчення, в сверхскопленія і, можливо, в більшіієрархічні структури.

Головним у суперечці цих двох поглядів є відповідь на запитання, чи мавпроцес Великого вибуху вихровий (турбулентний) характер або протікав більшгладко. Ознак турбулентності в великомасштабної структурі сьогоднішньої  
Всесвіту не спостерігається. Всесвіт виглядає дивно згладженої ввеликих масштабах, не дивлячись на деякі відхилення, в загалом далекігалактики і їх скупчення галактики розподілені по всьому небу рівномірно, аступінь ізотропності фонового випромінювання також досить висока. Все цезмушує визнати, що Великий вибух був безвіхревим, впорядкованимпроцесом розширення.

У 1978 році, намагаючись знайти обгрунтування для контрольованого співвідношенняфотонів і баріонів (10 8: 1) М. Рис висловив припущення, що фоновевипромінювання може бути результатом «епідемії» освіти масивних зірок,що почалася відразу після відділення випромінювання від речовини і до того, яквік Всесвіту досяг 1 млрд. років. Тривалість життя цих зірок немогла перевищувати 10 млн. років, багатьом з них було призначено пройти стадіюнаднових і викинути в простір важкі хімічні елементи, якічастково зібралися в крупиці твердої речовини, утворивши хмариміжзоряного пилу. Цей пил, нагріта випромінюванням догалактіческіх зірок,могла, у свою чергу, випромінювати інфрачервоне випромінювання, яке в силу йогочервоного зсуву, викликаного розширенням Всесвіту, що спостерігається зараз якмікрохвильове фонове випромінювання.

Ця точка зору не отримала широкого визнання, але в 1979 р. Д.П.  
Вуді і П.Л. Річардс з Каліфорнійського університету опублікували результатиспостережень, що вказують на деякі відхилення характеристикмікрохвильового фонового випромінювання від кривої випромінювання абсолютно чорноготіла. У тому ж році М. Роуен-Робінсон, Дж. Негропонте і Дж. Силк (Коледжкоролеви Марії, Лондон) вказали, що відхилення виявлені Вуді і  
Річардсом, може бути пояснено випромінюванням пилових хмар, що утворилисяслідом за «епідемією» масового формування зірок, що відповідає теорії  
М. Риса. Якщо ця нова теорія відповідає істині, то це означає, щопереважна кількість всієї маси Всесвіту міститься в невидимихзалишках зірок первинного, догалактіческого, покоління і в даний часможе знаходитися в масивних темних гало, що оточують яскраві галактики,які ми спостерігаємо сьогодні.

3. Сучасні  теорії про подальшої  еволюції всесвіту

Іноді сьогоднішню стадію еволюцію Всесвіту можна порівняти зфеєрверком, який закінчився. Залишилися негайні іскри, попіл і дим. Мистоїмо на остившем поле, вдивляючись в старіючі зірки і згадуючи красуі блиск Всесвіту.

Що ж очікує наш Всесвіт в майбутньому, якщо вона буде необмеженарозширюватися? Про процес продовжується розширення нашого Всесвітусвідчать майже всі дані спостережень. У міру розширенняпростору матерія стає все більш розрідженої, галактики та їхскупчення все більше віддаляються один від одного, а температура фоновоговипромінювання наближається до абсолютного нуля. З часом всі зірки завершатьсвій життєвий цикл і перетворяться або в білих карликів, остигає достану холодних чорних карликів, або в нейтронні зірки або чорнідірки. Ера святять речовини закінчиться, і темні маси речовини,елементарні частинки і холодне випромінювання будуть безглуздорозлітатися вбезперервно розряджаються порожнечі.

Втім, чорні дірки не залишаться без роботи. Маючи на те доситьчасу, чорні діри поглинуть величезна кількість речовини всесвіту. Якщотеорія Хокінга вірна, то чорні дірки будуть продовжувати випускати випромінювання,але чорним дірки (з масою рівною масі Сонця) буде потрібно дуже тривалийчас, перш ніж це помітно змінить щось. Фонове випромінювання охолоненабагато раніше, ніж чорні дірки почнуть випромінювати більше, ніж вони будутьпоглинати з цього фонового випромінювання. Такий момент настане тоді, коливік Всесвіту стане приблизно в десять мільйонів разів більшепередбачуваного на сьогодні. Має пройти близько 10 66 років, перш ніжчорні дірки сонячної маси почнуть вибухати, викидаючи потоки часток івипромінювання.

Дж. Б. Берроу з Оксфордського університету і Ф. Тіплер з  
Каліфорнійського університету в своїх роботах намалювали картину віддаленогомайбутнього необмежено розширюється Всесвіту. Навіть всередині староїнейтронної зірки зберігається ще достатньо енергії. Щоб час відчасу повідомляти частинок, що знаходяться поблизу її поверхні, швидкість,перевищує швидкість тікання. Передбачається, що в результаті цього черездосить тривалий час вся речовина нейтронної зірки повинновипаруватися. Розпадуться і чорні дірки, викликавши народження (у рівних пропорціях)частинок і античастинок. На думку Берроу і Тіплера, якщо запас енергії під  
Всесвіту достатній лише для того, щоб забезпечити її необмеженурозширення, то ефект електричного тяжіння в електронно-позитронногопарах переважить і гравітаційне тяжіння і загальне розширення Всесвітуяк цілого. За певний кінцевий час всі електрони проаннігіліруют звсіма позитрона. У кінцевому підсумку останній стадії існуючої матеріївиявляться не розлітаються холодні темні тіла і чорні дірки, а безберегеморе розрідженого випромінювання, остигаючого до кінцевої, всюди однаковою,температури.

Другий закон термодинаміки показує, що кінець еволюції Всесвітунастане, коли вирівняється температура її речовини. Так як теплопередається від більш теплих тіл до більш холодним, відмінність їх температур зчасом згладжується, і здійснення подальшої роботи стаєнеможливим. Ця думка про «теплової смерті» Всесвіту була висловлена ще в  
1854 Г. Гельмгольцем (1821-1894). Цікаво, що наше сучаснеуявлення про необмежено розширюється Всесвіту разом з концепцієюквантового випромінювання чорних дір, яка заснована на аналогії міжгравітацією і термодинаміки, призвели (більше кружним шляхом) до тих жевисновків, що зробив Гельмгольц.

Ми не можемо знати точно, який буде результат протиборства розширення  
Всесвіту і гравітаційного тяжіння її речовини. Якщо переможе тяжіння,то Всесвіт коли-небудь сколапсірует в процесі Великого стиснення, якеможе виявитися кінцем її існування, або прелюдією до новогорозширення. Якщо ж сили тяжіння програють «бій», то розширеннябуде тривати необмежено довго, але тяжіння буде продовжуватиграти суттєву роль у визначенні остаточного стану речовини.  
Речовина може перетворитися на безмежне море однорідного випромінювання, абопродовжиться розсіювання темних холодних мас. У неясному далекому майбутньомуминула епоха зоряної активності може виявитися лише найкоротшиммиттю в нескінченній життя Всесвіту.

На сьогоднішній день всі дані говорять про те, що наш Всесвітприречена на вічне розширення. Багатьом була б до душі пульсуюча модель  
Всесвіту, що дає надію на відродження нехай не живих істот, то, запринаймні, таких звичних нам речей, як речовина і випромінювання. У будь-якомувипадку нам залишається брати долю космосу такою, як вона є: Всесвітне вибирають.

4. Проблеми  теорії Великого  вибуху

Теорія Великого вибуху захоплює уяву і мало кого залишаєбайдужим. Створюється враження, що вона заснована на фактичномуматеріалі і підкріплена математичними викладками і тому більшостілюдей вона здається більш прийнятною, ніж релігійне поясненнявиникнення Всесвіту. Однак, на думку ряду вчених-космологівдана теорія є лише останньою з цілої низки спробпояснити зародження Всесвіту з позицій фізичного світогляду,згідно з якою світ являє собою породження матерії,функціонує в суворій відповідності до законів фізики.

Спроби вчених створити таку фізичну модель походження  
Всесвіту грунтуються на трьох аксіоми: всі явища природи можуть бутиповністю пояснені фізичними законами, вираженими в математичнійформі; ці фізичні закони універсальні і не залежать від часу і місця;всі основні закони природи прості. Більшість людей бере ціпостулати як щось само собою зрозуміле, але насправді ніхто йніколи не міг довести їх істинності. І більше, довести їх справедливістьнепросто. Тому не можна виключати, що в основі Всесвіту лежатьпринципово інші закони, що не піддаються простому математичномуопису. Існує психологічна причина, що змушує вченихдотримуватися такого погляду: якщо структура Всесвіту може бути описанапростими фізичними законами, з'являється надія, незважаючи наобмеженість людського розуму, рано чи пізно зрозуміти цю структуру.  
Якщо припустити, що наш Всесвіт нескінченно складна, то потрібно визнати,що людині з його обмеженим розумом, знаннями і можливостями буде дужеважко зрозуміти її структуру.

Слід визнати можливість того, що уявлення вчених про те,що фізичні закони відкриті ними в лабораторіях, на Землі, діють увсього Всесвіту і на всіх етапах її еволюції, м'яко кажучи, необгрунтовані. Зодного боку без таких припущень не може обійтися жодна спробапояснення походження Всесвіту, адже ми не можемо повернутися на мільярдироків тому і отримати пряму інформацію про зародження нашого Всесвіту. Зіншого боку, багато вчених визнають ризикованість перенесення наших вельмиобмежених знань на світобудову в цілому. Можливо, сама спроба створитипросту математичну модель Всесвіту не цілком коректне і сполучена зтруднощами принципового характеру.

Першою проблемою є поняття «сингулярності». Професоррадіоастрономії Манчестерського університету Б. Лоувел писав про сингулярностінаступне: «У спробі фізично описати початковий стан Всесвіту минатрапляємо на перешкоду. Питання в тому, чи є це перешкодаподоланні. Може всі наші спроби науково описати початковий стан  
Всесвіту, заздалегідь приречені на невдачу? Це питання, а також концептуальнітруднощі, пов'язані з описом сингулярної точки в початковий моментчасу, є однією з основних проблем сучасної наукової думки ».

На сьогоднішній день ця перешкода не змогли подолати навіть самівидатні вчені, що розробляють теорію Великого вибуху. Таким чином,дана теорія стикається з проблемами нездоланними буквально з самогопочатку, в більшості науково-популярних викладів теорії великого вибухускладнощі, пов'язані з вихідною сингулярність або замовчуються, абозгадуються побіжно. У спеціальних ж статтях вчені визнають їх головнимперешкодою. Професора математики С. Хоукінга з Кембриджу та Г. Елліс з  
Кейптауна зазначають у своїй монографії «Великомасштабна структурапростору-часу »зазначають:« ... результати наших спостережень підтверджуютьприпущення про те, що Всесвіт виник у певний момент часу.  
Однак сам момент початку творіння, сингулярність не підпорядковується жодномуз відомих законів фізики ».

Якщо будь-яка модель Всесвіту постулює сингулярність, це,безсумнівно, створює великі теоретичні труднощі. Намагаючись піти від відповідіна питання, що стосуються сингулярності, вчені запропонували теорію такзваної «Нескінченно пульсуючого Всесвіту». Відповідно до цієїтеорією, Всесвіт розширюється, а потім стискується до сингулярності, потімзнову розширюється і знову стискається. Ця теорія, на перший погляд, знімаєпитання про походження Всесвіту - у неї немає початку і кінця, вона існуєвічно. Але до цих пір ніхто не зміг задовільно пояснити механізмпульсування. Крім цього С. Вайнберг у своїй роботі «Перші 3 хвилини»стверджує, що кожен цикл розширення і стиснення повинен призводити допевним прогресуючим змін, а це означає, що у Всесвітімає бути початок, інакше вся історія Всесвіту буде регресом,розтягнувся на вічність.

Фізик А. Гут з Массачусетського технологічного інституту запропонувавсвою теорію Великого вибуху, яка пояснює спонтанне виникненняцієї організації, усуваючи необхідність штучно вводити точніпараметри в рівняння, що описують початковий стан Всесвіту. Його модельбула названа «інфляційного Всесвіту». Суть її в тому, що всередині швидкорозширюється, перегрітої Всесвіту невелику ділянку просторуохолоджується і починає розширюватися швидше, подібно до того, якхолодна вода стрімко замерзає, розширюючи при цьому. Ця фазашвидкого розширення дозволяє усунути деякі проблеми, властивістандартної теорії Великого вибуху. Однак і ця модель не позбавленанедоліків і основним є те, що для того, щоб рівняння Гутаправильно описували інфляційну Всесвіт, йому довелося дуже точно задативихідні параметри для своїх рівнянь. Гут і його співавтор П. Штайнгартвизнають, що в їх моделі «розрахунки приводять до прийнятних результатами тількиу випадку, якщо задані вихідні параметри рівнянь варіюють у дужевузькому діапазоні. Більшість теоретиків (включаючи і нас самих) вважаютьвихідні умови малоймовірними ».