Основные гипотезы возникновения вселенной и их основания

Введение.

Любое описание или объяснение начальных процессов  возникновения существующей Вселенной, включая образование астрономических  объектов (космогонию), возникновение  жизни, планеты Земля и человечества. Существует множество точек зрения на вопрос происхождения Вселенной, начиная с научной теории, множества  отдельных гипотез, и заканчивая философскими размышлениями, религиозными убеждениями, и элементами фольклора.

Все концепции  возникновения Вселенной условно  можно разделить на две:

    - Концепции  возникновения Вселенной без  участия осознающего фактора  (Творца, «Вселенского разума» и  т. д.), то есть                            с соблюдением принципа заурядности. Такие концепции в основном, научные — не признающие одухотворённость творения и понятие Творца, или, иными словами, «осознающего создателя»,                             и опирающиеся на научные факты;

    - Концепции  сотворения мира — в основном, религиозные — признающие Творца  в качестве первопричины. Это  выражается, прежде всего, в достаточно  серьёзных противоречиях                                 в терминологии и языковых оппозициях таких как: сотворение — возникновение, творец — природа и т. д. Во всем остальном многие виды мировоззрения зачастую пересекаются и дублируют друг друга.

 

 

 

1. Классическая космологическая модель.

Успехи космологии¹ и космогонии² 18-19 вв. завершились созданием классической полицентрической картины мира, ставшей начальным этапом развития научной космологии. Вселенная в этом представлении о мире считается бесконечной в пространстве                      и во времени, т.е. вечной. Основной закон, управляющий движением и развитием небесных тел, - закон всемирного тяготения. Пространство никак не связано с находящимися в нем телами, играя пассивную роль вместилища для этих тел. Время также не зависит   от материи, являясь универсальной длительностью всех природных явлений и тел. Количество звезд, звездных систем и планет             во Вселенной бесконечно велико. Каждое небесное тело проходит длительный жизненный путь. На смену погибшим, точнее погасшим, звездам приходят новые, молодые светила. В таком виде классическая космологическая модель Вселенной господствовала              в науке вплоть до конца 19 в.

 

 

 

 

 

 

 

2. Три модели парадоксов.

В конце 19 века появились серьезные сомнения в классической модели, которые приняли форму космологических парадоксов - фотометрического, гравитационного     и термодинамического.

2.1.  Фотометрический парадокс     

В 18 веке швейцарский  астроном Р. Шезо высказал сомнения           по поводу пространственной бесконечности Вселенной.                        Если предположить, что в бесконечной Вселенной существует бесконечное множество звезд, и они распределены в пространстве равномерно, то тогда по любому направлению взгляд земного наблюдателя непременно натыкался бы на какую-нибудь звезду. Тогда небосвод, сплошь усеянный звездами, имел бы бесконечную светимость, т.е. такую поверхностную яркость, что даже Солнце         на его фоне, казалось бы, черным пятном. Однако этого                  не происходит, поэтому данное парадоксальное утверждение получило в астрономии название фотометрического парадокса     Шезо-Ольберса.³

2. Гравитационный парадокс.

В конце 19в. немецкий астроном К. Зеелигер обратил внимание на другой парадокс, также вытекающий из представлений                 о бесконечности Вселенной. В бесконечной Вселенной с равномерно распределенными в ней телами, сила тяготения со стороны всех тел Вселенной на данное тело оказывается бесконечно большой                    или неопределенной (результат зависит от способа вычисления). Поскольку этого не происходит, Зеелигер сделал вывод, что                       кол-во небесных тел во Вселенной ограничено, а значит и сама Вселенная не бесконечна. Это утверждение получило название гравитационного парадокса.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Термодинамический парадокс.

Термодинамический парадокс был сформулирован также в 19в. Он вытекает из второго начала термодинамики - принципа возрастания энтропии. Мир полон энергии, которая подчиняется закону сохранения энергии. Кажется, что из этого закона неизбежно вытекает вечный круговорот материи во Вселенной. Если в природе материя не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит                 из одной формы существования в другую, то Вселенная вечна,                      а материя пребывает в постоянном круговороте. Таким образом, погасшие звезды снова превращаются в источник света и тепла. Поэтому неожиданно прозвучал вывод из второго начала термодинамики, открытого в середине 19в. Кельвином и Р.Ю.Э. Клаузисом. При всех превращениях различные виды энергии,                  в конечном счете, переходят в тепло, которое стремится к состоянию термодинамического равновесия, т.е. рассеивается в пространстве. Так как такой процесс рассеяния тепла необратим, то рано или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в природе прекратятся, наступит «тепловая смерть Вселенной».⁴

Таким образом, три  космологических парадокса заставили  ученных усомниться в классической космологической модели Вселенной, побудили их к поискам новых непротиворечивых моделей.

 

 

 

 

3. Релятивистская модель Вселенной.

Новая модель Вселенной  была создана в 1917 году                         А. Эйнштейном. Ее основу составила релятивистская теория тяготения. Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности                     и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени                            и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяются распределением в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но при этом замкнута в пространстве. Согласно этой модели пространство однородно и изотропно,                 т.е. во всех направлениях имеет одинаковые свойства; материя распределена в нем равномерно; время бесконечно, а его течение               не влияет на свойства Вселенной. На основании своих расчетов Эйнштейн сделал вывод, что мировое пространство представляет собой четырехмерную сферу.

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.

 

 

4. 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 изотропности⁵                             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.

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.

4.1.  Три модели Вселенной Фридмана.

Фридман предложил  три модели Вселенной:

- Вселенная расширяется медленно для того, чтобы в силу гравитационного⁶ притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и, в конце концов, прекращалось. После этого Вселенная начинала сжиматься. В этой модели пространство искривляется, образуя сферу.

- Вселенная расширяется бесконечно, пространство искривлено и бесконечно.

- Пространство плоское и бесконечное.

По какому из этих вариантов идет эволюция Вселенной, зависит от отношения гравитационной энергии к кинетической⁷ 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.

5. Концепция Большого взрыва

Представление о  развитии Вселенной привело к  постановке вопроса о начале эволюции (рождении) Вселенной и ее конце (смерти). В настоящее время существует несколько космологических моделей, объясняющих отдельные аспекты  возникновения материи во Вселенной, но они не объясняют причины и  процесс рождения самой Вселенной. Только теория Большого взрыва Г.А. Гамова смогла к настоящему времени объяснить  почти все факты, связанные с  этой проблемой. Основные черты этой модели сохранились               до сих пор, хотя она была позже дополнена теорией инфляции,                 или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стейнхардтом,                                и дополненной советским физиком А.Д. Линде.

В 1948 году Гамов  выдвинул предположение, что Вселенная  образовалась в результате гигантского  взрыва, произошедшего примерно 15 млрд. лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был равен нулю, а ее плотность – бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью⁸.                          Но по принципу неопределенности В. Гейзенберга вещество невозможно стянуть в одну точку, поэтому считается, что Вселенная в начальном состоянии имела определенную плотность и размеры. Долгое время ничего нельзя было сказать о причинах Большого взрыва, переходе к расширению Вселенной. Но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы.                    Они лежат в основе инфляционной модели развития Вселенной.

1. «Начало» Вселенной.

Основная идея концепции Большого взрыва состоит  в том,                 что Вселенная на ранних стадиях возникновения имела неустойчивое вакуум подобное 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Инфляционный период.

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