Тема 7. Происхождение и развитие вселенной.

1. Космология как наука о структуре и эволюции Вселенной, ее мировоззренческое значение. Космологические принципы.

2. Модели Вселенной. Концепция космической эволюции о происхождении и развитии Вселенной. Альтернативные модели Большого взрыва.

3. Будущее Вселенной.

«Две вещи наполняют душу всегда новым

и все более сильным удивлением и благоговением,

чем чаще и продолжительнее мы размышляем о них, –

это звездное небо надо мной и моральный закон во мне».

Иммануил Кант

1.

Происхождение, эволюция и устройство Вселенной как целого изучаются космологией. Слово «космология» происхо­дит от греч. космос – «Вселенная» и логос – «закон». Уже древ­ние мудрецы задались вопросом о происхождении и устрой­стве Вселенной, поэтому космология – учение о строении мира – и космогония – учение о происхождении мира – были неотъемлемым компонентом философских систем древ­ности.

XX век можно назвать веком астрономической и космо­логической научной революции: новые открытия не просто подтолкнули развитие самой науки, но радикально измени­ли взгляд человека на происхождение и устройство Вселен­ной, свое место в мире и т.п. Выводы, которые формулируются в астрономии и космологии, имеют фундаментальный мировоззренческий характер и существенно влияют на те цели, которые ставит перед собой человечество.

Новые открытия происходили в астрономии на протяжении всего XX в.: в 1929 г. было обнаружено явление разбегания галактик; в 40-е гг. – существование больших скоплений звезд, которые распадаются после своего возникновения; в 50-е гг. открыты явления распада групп галактик; в 1963 г. – квазары и нейтронные звезды. Во второй половине XX в. началось практическое освоение космоса, которое стало дополнительным толчком для развития прикладных исследований в астрономии.

Выделим основные черты современных космологии и астрономии:

- благодаря новым техническим достижениям существенно расширилась область наблюдаемой Вселенной – Метагалактика;

- современная астрономия приняла в качестве своего теоретического основания реляционную концепцию пространственно-временного континуума;

- открытие нестационарности Вселенной привело к фундаментальному пересмотру представлений человека о мегамире и протекающих в нем процессах;

- современная астрономическая и космологическая наука учли фактор активности субъекта познания, что выразилось в так называемом антропном космологическом принципе;

- развитие эмпирических и теоретических исследований привело к отказу от идеи единственности нашей Вселенной и обсуждению гипотезы «множественности вселенных».

Современная космология представляет собой синтез научных (физических и математических) и философских знаний. Именно этим определяется ее специфика. Выводы космологии почти полностью обусловлены теми философ­скими принципами, на которые опирается исследователь. Дело в том, что размышления о происхождении и устрой­стве Вселенной эмпирически труднопроверяемы и суще­ствуют в виде теоретических гипотез или математических моделей. Космолог движется от теории к практике, от модели к эксперименту, в этом случае роль исходных философских и общенаучных оснований существенно возра­стает.

Классические космологические представления, сутью которых было утверждение абсолютности и бесконечное пространства и времени, а также неизменности и вечности Вселенной, сталкивались с двумя неразрешимыми парадоксами – гравитационным и фотометрическим. Гравитационный парадокс заключался в противоречии между исходными постулатами о бесконечности Вселенной и ее вечности. Так, если предположить бесконечность мира, то необходимо также признать и бесконечность действующих в нем сил тяготения. Бесконечность сил тяготения между небесными телами должна была бы привести к коллапсу, т.е. Вселенная не могла бы существовать вечно, а это противоречит постулату о ее вечности. Фотометрический парадокс также вытекает из постулата бесконечности Вселенной. Если Вселенная бесконечна, то в ней должно существовать бесконечное число небесных тел, а значит, светимость неба также должна быть бесконечной, однако этого не происходит. Однако данные парадоксы классической науки разрешаются в современной релятивистской космологии.

Назовем основные космологические принципы:

1. Принцип однородности и изотропнос­ти пространства. Однород­ность характеризует распределение вещества во Вселенной. Изотропность означает, что во Вселенной не существует выделенных точек и направлений. Это значит, что Вселенная выглядит одинаково из любого места, в любом направлении и в любой момент времени.

2. Релятивистский принцип взаимосвязи пространства и времени и их зависимости от материи. Пространствен­но-временная метрика Вселенной задается гравитационны­ми полями, признаются также искривленность простран­ства и замедление времени во всех частях Метагалактики. Пространственно-временная метрика описывается уравне­ниями общей теории относительности.

3. Принцип конечной скорости протекания любых физических процессов – скорости света c = 300000 км/с. Ни одно тело во Вселенной не может двигаться со скоростью большей, чем скорость света.

4. Принцип нестационарности Вселенной. Вселенная расширяется в пространстве, галактики разбегаются от ее предполагаемого центра.

5. Антропный принцип. Предполагает наличие наблюдателя во Вселенной – человека. Вселенная всегда выглядит такой, как ее наблюдает человек, кроме того, она создана такой, чтобы на определенном этапе в ней мог появиться человек.

2.

Началом революции в космологии считается создание в 1917 г. А. Эйнштейном стационарной релятивистской космологической модели. В ее основу положена релятивистская теория тяготения, обоснованием которой служит общая теория относительности. А. 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 А. Эйнштейна зависят от распределения в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но при этом замкнута в пространстве. Сигнал, пущенный наблюдателем во Вселенной, вернется к нему с противоположной стороны. Согласно стационарной релятивистской модели пространство однородно и изотропно, материя распределена в нем равномерно, время бесконечно, а его течение не влияет на свойства Вселенной. Таким образом, несмотря на новизну и даже революционность идей, А. Эйнштейн в своей космологической теории ориентировался на привычную классическую мировоззрен­ческую установку статичности мира: А. Эйнштейна более привлекал гармоничный и устойчивый мир, нежели мир противоречивый и неустойчивый. В конце жизни великий ученый с сожалением говорил о том, что теория статичной Вселенной не имеет эмпирического подтверждения.

В 1922 г. российский математик и физик А. Фридман выступил с критикой теории А. Эйнштейна. Его идеи стали началом нестационарной релятивисткой космологии. А. Фридман предложил нестационарную космологическую модель Вселенной, которая могла иметь три варианта развития. В первом рассматривается случай средней плотности вещества и неискривленности пространства. В такой ситуации Вселенная должна бесконечно расширяться из некоторой исходной точки. Во втором варианте предполагалась плотность вещества меньше критической. В этом случае пространство обладает отрицательной кривизной, а Вселенная также должна неограниченно расширяться из начальной точки. В третьем рассматривался случай плотности вещества выше критической. В этой ситуации пространство должно иметь положительную кривизну, а Вселенная периодически расширяться и сжиматься.

Концепция А. Фридмана некоторое время не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский физик Э. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» в спектрах уда­ленных галактик. «Красное смещение» означает понижение частот электромагнитного излучения при удалении источника света от наблюдателя, т.е. если источник света удаляется от нас, то воспринимаемая частота излучения уменьшается, а длины волн увеличиваются, линии видимого спектра смещаются в сторону более длинных красных волн. Оказалось, что «красное смещение» пропорционально расстоянию до источника света. Исследования Хаббла подтвердили, что удаленные от нас галактики разбегаются, т.е. Вселенная находится в состоянии расширения, а значит, нестационарна. Другим важным экспериментальным свидетельством в пользу гипотезы расширяющейся Вселенной стало открытие реликтового излучения – слабого радиоизлучения, свойства которого являются в точности такими, какими они должны были быть на этапе горячей, взрывной Вселенной.

В 1927 г. бельгийский ученый Ж. Леметр предложил понятие сингулярности как исходного состояния Вселенной. Леметр предположил, что первоначальный радиус Вселенной равнялся 10‾¹² см, а ее плотность – 10⁹⁶ г/см³, т.е. в начальном состоянии Вселенная должна представлять собой микрообъект, по размерам близкий к электрону. В 1965 г. С. Хокинг математически обосновал необходимость состояния сингулярности в любой модели расширяющейся Вселенной.

В 40-е гг. XX в. наступил новый этап развития космологии: для объяснения происхождения Вселенной американским физиком Дж. Гамовым была предложена гипотеза Болъшого Взрыва. Согласно этой гипотезе, Вселенная возникла в результате взрыва из первоначального состояния сингулярности. Дальнейшая эволюция происходила поэтапно и сопровождалась, с одной стороны, дифференциацией, а с другой – усложнением структур. Этапы эволюции Вселенной называются эрами.

Адронная эра: длительность 10‾⁷ с, температура Вселенной составляет 10³² К. Главными действующими лицами являются элементарные частицы, между которыми осуществляется сильное взаимодействие. Вселенная представляет собой разогретую плазму.

Лептонная эра: длительность 10 с, температура Вселенной 10¹⁵ К. Главные действующие лица – лептоны (электроны, позитроны и др.).

Эра излучения: длительность 1 млн лет, температура Вселенной 10 000 К. В это время во Вселенной преобладает излучение, а вещество было ионизированным.

Эра вещества: длится и сейчас. Вселенная остывает, становится нейтральной и темной, образуется вещество. В начале этой эры возникают первые протозвезды и протогалактики. Излучение перестает взаимодействовать с веществом и начинает свободно перемещаться по Вселенной. Именно эти фотоны и нейтрино, остывшие до 3 К, наблюдаются сейчас в виде реликтового излучения.

Гипотезу Большого Взрыва называют также моделью горячей Вселенной, стандартной моделью. Эта гипотеза стала общепринятой после открытия в 1965 г. реликтового излучения. Несмотря на стандартность и общепринятость, концепция Большого Взрыва не дает ответа на некоторые вопросы. Например, каковы причины образования галактик из ионизированного газа? Почему наблюдается асимметрия вещества и антивещества? Самой большой проблемой остается состояние сингулярности, введение которого требуется уравнениями общей теории относительности А. Эйнштейна.

Для моделирования первых мгновений существования Вселенной, прояснения причин Большого Взрыва и объяснения сингулярности физиком А. Гутом была предложена инфляционная гипотеза, или модель инфляционной Вселенной. На данном этапе развития науки инфляционная концепция не может получить прямого эмпирического подтверждения, однако она предсказывает новые факты, которые в принципе могут быть проверены. Инфляционная теория описывает эволюцию Вселенной начиная с 10‾⁴⁵ с после начала расширения. Модель раздувающейся (инфляционной) Вселенной не противоречит гипотезе Большого Взры­ва, включая ее в качестве своего частного случая. Различие между концепцией Большого Взрыва и концепцией инфля­ционной Вселенной касается только первых мгновений су­ществования мира – до 10‾³⁰ с, принципиальных миро­воззренческих расхождений между этими гипотезами нет.

Согласно инфляционной модели первоначальное состо­яние Вселенной – состояние квантовой супергравитации, радиус Вселенной в этот момент составляет 10‾⁵⁰ см. Это значительно меньше радиуса атомного ядра, который оце­нивается величиной 10‾¹³ см. Первоначальное состояние Вселенной – вакуум, особая форма материи, характеризующаяся высокой активностью. Вакуум как бы «кипит», в нем постоянно рождаются и уничтожаются виртуальные части­цы. Возникновение частиц из вакуума описывается поняти­ем флуктуации. Вакуум может находиться в состояниях, ха­рактеризующихся разными давлениями и энергиями. Если вакуум возбужден (так называемый ложный вакуум), то в процессе порождения и уничтожения виртуальных частиц возникает огромная сила космического отталкивания, которая и приводит к раздуванию «пузырей» – зародышей вселенных. Исходное состояние ложного вакуума можно сравнить с кипением воды в котле. Каждый из «пузырей» – домен, отдельная Вселенная, характеризующаяся собствен­ными значениями фундаментальных физических констант. Считается, что наша Вселенная – один из «пузырей», воз­никших из вакуумной пены.

Раздувание, или быстрое расширение, было названо инфляцией. На фазе инфляции примерно в промежутке с 10‾⁴³ с до 10‾³⁴ с формируются пространственно-временные характеристики Вселенной. Таким образом, в рамках инфляци­онной модели предполагается существование мира без пространства и времени, поскольку в первой стадии раздувания Вселенной такие характеристики отсутствуют.

Во время фазы инфляции Вселенная «раздулась» до размера 10^1000000см, что намного превосходит размер наблю­даемой сейчас Метагалактики (10²⁸ см). Примерно через 10‾³⁴ с после начала расширения неустойчивый вакуум распадается, а силы космического отталкивания иссякают. Как показали эксперименты, при падении температуры ниже 10²⁷ К наблюдаются процессы распада. Однако в силу того, что распад частиц и античастиц идет по-разному, во Вселенной образуется незначительное преобладание вещества над антивеществом: на миллиард античастиц образуется миллиард плюс одна частица. Удовлетворительных объяснений этой асимметрии пока не найдено. Именно это избыточное вещество и стало «материалом» для Вселенной. Нарушение симметрии между веществом – антивеществом привело к нарушению равновесности системы, и она перешла в новое состояние, изменив свою структуру.

В это время во Вселенной начинает действовать известная нам сила гравитационного притяжения. Но поскольку начальный импульс расширения был очень сильным, Вселенная продолжает расширяться, однако значительно медленнее. Расширение сопровождается понижением температуры. На этом этапе Вселенная пуста, в ней нет ни излучения, ни вещества. Однако энергия, которая выделилась при распаде ложного вакуума, идет на мгновенный нагрев Вселенной до температуры примерно 10²⁷ К. Происходит своеобразная вспышка света. Энергия, мгновенно разогревшая Вселенную, сейчас понимается как суперсила, которая объединяла все известные четыре типа фундаментальных взаимодействий, – гравитационное, сильное, слабое и электромагнитное.

На этом заканчивается стадия инфляции и начинается эволюция горячей Вселенной, описываемая моделью Большого Взрыва. Первый этап эволюции Вселенной был назван эрой Великого объединения.

Через 10‾¹² с после Большого Взрыва температура Вселенной составляла около 10¹⁵ К. В это время начинается образование известных нам частиц и античастиц. Однако в силу того, что температура очень высока, свойства этих частиц сильно отличались от тех, которые наблюдаются сейчас. При падении температуры ниже 10¹⁵ К возникают современные частицы, которые теперь становятся вполне различимыми.

При температуре 10¹³ К кварки начинают объединяться в группы и образуются адроны – протоны и нейтроны. На этом этапе единая суперсила распадается на гравитационнное, сильное и электрослабое взаимодействия. В конце первой секунды после Большого Взрыва температура Вселен­ной составляет 10¹⁰ К.

В начале следующего этапа, длительность которого от 1 с до 1 млн лет, происходит разделение электрослабого взаи­модействия на электромагнитное и слабое. Через минуту температура Вселенной падает до 10⁸ К, а еще через несколько минут складываются условия, при которых стали возможны ядерные реакции синтеза сложных элементов. В это время материя представляет собой плазму, на 10 % состоящую из ядер гелия и на 90 % – из ядер водорода. В момент, когда возникли атомы водорода и гелия, косми­ческое вещество стало «прозрачным», проницаемым для фо­тонов, которые начинают излучаться в пространство. Сейчас мы можем наблюдать остаточные явления этого процесса в виде реликтового излучения. Из атомов водорода и гелия образовался газ, и сложились условия для формирования других химических элементов – бериллия и лития.

Через 1 млн лет после начала расширения Вселенной на­ступил этап образования звезд и галактик. В недрах звезд в результате термоядерных реакций стали синтезироваться тяжелые элементы, которые в результате взрывов звезд раз­брасывались по Вселенной и становились строительным материалом для других космических объектов. Дальней­шая эволюция Вселенной пошла в направлении создания все более сложных структур, что в свое время привело к воз­никновению жизни и разума. Таким образом, микроэволю­ция выступила предпосылкой макроэволюции, а космогенез получил продолжение в гео- и химогенезе.

Несмотря на то, что гипотезы Большого Взрыва и инфляционной Вселенной являются общепринятыми в научной среде, они порождают серьезные теоретические проблемы и подвергаются критике. Так, например, американский уче­ный К. Болдинг считает, что проблемы возникают уже на уровне общепринятых постулатов, лежащих в основе космологического моделирования и нет никаких оснований зара­нее отвергать альтернативные подходы к пониманию Все­ленной.

Самые большие проблемы современной космологии связаны с описанием ненаблюдаемого и труднообъяснимого состояния сингулярности, которое даже иногда называют аномальным фактом. Введение состояния сингулярности требуется математическими расчетами, но при этом это состояние не поддается математическому описанию и представляет се­рьезную концептуальную проблему. Некоторые ученые вообще заявляют, что физическая теория, предсказывающая сингулярность, является несостоятельной, поскольку проблема сингулярности оставляет открытым фундаментальный вопрос космологии – о начальных параметрах Вселенной. Проблема сингулярности имеет важное мировоззренческое значение, поскольку разрушает представление о вечном и бесконечном мире и подталкивает к выработке новой картины мира.

Вторая проблема современной космологии связана с принципом экстраполяции на всю Вселенную законов, открытых в земных условиях. Возникает серьезный вопрос: правомерна ли такая экстраполяция? Причем речь идет не только о переносе «земных» законов на «неземную» область, но и об экстраполяции законов и свойств наблюдаемой Вселенной на принципиально ненаблюдаемую. Нет никаких доказательств того, что физические законы, открытые на Земле, действуют во всей Вселенной и на всех этапах ее эволюции. Как считают математики С. Хокинг и Г. Эллис, предположение о том, что законы физики, открытые и изученные в лаборатории, будут справедливы в других точках пространственно-временного континуума, безусловно, является очень смелым.

Трудности, с которыми сталкивается современная научная космология, используются как аргумент в пользу существования Высшего разума, который и создает Вселенную. В этом случае научная картина мира подменяется теологической. В такого рода космологических концепциях состояния сингулярности и ложного вакуума рассматривают как то самое «ничто», о котором говорится в религиозных текстах. Из этого «ничто» Божественная сила творит мир. Точная «подогнанность» фундаментальных физических параметров нашей Вселенной, приведшая в конце концов к возникновению жизни и разума, рассматривается как свидетельство Высшего замысла, согласно которому и происходит эволюция мира.

Представление о развитии Вселенной привело к поста­новке проблемы начала эволюции (рождения) Вселенной и ее конца (смерти). Вселенная развивается из исходного сингулярного состояния, радиус которого бесконечно мал, а плотность материи бесконечно велика, проходит различные этапы своего развития, а затем умирает. Состояние сингулярности можно трактовать как обрыв времени в прошлом. По-видимому, такой обрыв времени следует предположить и в будущем. В моделях пульсирующей Вселенной та точ­ка, в которой расширение сменится сжатием, рассматривается как обрыв времени в будущем. Момент «начала» време­ни называется Большим Взрывом. Момент «конца» времени был назван Ф. Типлером Великим Стоком.

Ученые рассчитали, что если бы скорость расширения была постоянной на протяжении всего суще­ствования Вселенной, то можно было бы говорить о возра­сте в 18 млрд лет. Однако современная космология утверждает, что расширение Вселенной постепенно замедляется. Поэтому время, прошедшее с момента Большого Взрыва, может составить 12 млрд лет. Если же предположить су­ществование космических сил отталкивания – такое допущение делается в инфляционных моделях, – то возраст Вселенной будет значительно больше. Современные космологи оценивают возраст Вселенной в 12-20 млрд лет.

С представлением о возрасте Вселенной связано поня­тие космологического горизонта, отделяющего доступную для наблюдений область пространства от недоступной. За время, прошедшее с момента возникновения Вселенной, свет мог пройти конечное расстояние, которое оценивает­ся величиной в 6000 Мпк. Мы можем наблюдать только ту часть мира, которая находится в пределах этого радиуса, поскольку от более удаленных областей пространства свет еще не успел до нас дойти. Кроме того, удаленные области пространства мы видим такими, какими они были миллиарды лет назад. Космологический горизонт растет пропор­ционально времени, с каждым днем область доступной для наблюдения Вселенной увеличивается.

3.

Для описания будущего Вселенной предлагаются различные космологические сценарии. Все эти гипотезы можно разделить на две группы: модели «закрытой» и модели «открытой» Вселенной. Если кривизна пространства отрицательна или равна нулю, то задается модель открытой Вселенной, если кривизна пространства положительна, то задается модель «закрытой», или «замкнутой», Вселенной.

«Закрытая» модель предполагает, что Вселенная одновременно конечна и неограниченна, т.е. двигаясь по ней нельзя достичь границы. Однако свет, пущенный наблюдателем из какого-то источника, вернется к нему с противоположной стороны. В гипотезе замкнутой Вселенной предполагается, что мир проходит множество эволюционных циклов. Каждый цикл представляет собой сначала расширение, а затем сжатие Вселенной и длится примерно 100 млрд лет. При переходе в новый цикл меняются фундаментальные характеристики Вселенной, связанные с основными физическими константами. Что касается нынешнего состояния Вселенной, то в рамках данной гипотезы предпо­лагается, что примерно через 30 млрд лет она начнет сжи­маться, а еще через 50 млрд лет вернется в сингулярное со­стояние, из которого «родится» вновь.

«Открытая» модель рассматривает Вселенную как беско­нечную. В моделях открытой Вселенной предполагается, что через 10¹⁴ лет звезды остынут, поскольку исчезнет весь мате­риал для термоядерных реакций. Через 10¹⁵ лет звезды на­чнут покидать свои галактики, а планеты отрываться от звезд и улетать в космическое пространство. За время при­мерно в 10¹⁷ лет все звезды окончательно потеряют свои планеты, а центральные части галактик коллапсируют. Ос­тавшееся вещество благодаря гравитационным силам нач­нет собираться в ядра с огромной плотностью, т.е. галактики превратятся в сверхмассивные черные дыры. Через 10³² лет Вселенная будет состоять из черных дыр и разреженного электронно-позитронного газа. Через 10⁹⁶ лет черные дыры испарятся. Через 10¹⁰⁰ лет Вселенная превратится в электронно-позитронную плазму очень малой плотности.

Такой сценарий предполагается в случае нестабильности протона. Если же протон стабилен, то высказывается пред­положение, что через 10⁶⁵ лет все вещество превратится в жидкость, а звезды, ставшие к тому времени черными кар­ликами, превратятся в жидкие капли. Через 10¹⁵⁰⁰ лет все жидкие капли станут железными. Через огромное количе­ство лет, которое выражается невероятными цифрами, и эти жидкие железные капли превратятся в черные дыры и по­степенно испарятся. Вселенная, как и в предыдущей модели, перейдет в состояние электронно-позитронной плазмы.

В данный момент наша Вселенная находится в состоя­нии расширения, это экспериментально подтверждено от­крытием красного смещения. Считается, что если средняя плотность вещества во Вселенной окажется достаточно вы­сокой – выше критической плотности, которая определя­ется величиной в 10‾²⁹ г/см³, – то расширение со временем сменится сжатием. Если средняя плотность вещества окажется меньше критической, то Вселенная будет продолжать свое расширение. На данный момент средняя плотность вещества во Вселенной определяется в 3∙10‾³¹ г/см³, т.е. ниже критической. Это означает, что наша Вселенная будет неограниченно долго расширяться. Однако пока невозможно точно оценить плотность распределения вещества в силу существования так называемой скрытой массы, темной материи. Такая невидимая материя проявляется только по своему гравитационному взаимодействию. Именно поэтому ученые пока не дают окончательного ответа на вопрос: является наша Вселенная открытой или закрытой? Большинство придерживается модели открытой Вселенной.

Вопросы для повторения:

1. Как соотносятся понятия «Метагалактика» и «Вселенная»?

2. Что означает антропный принцип в космологии?

3. В чем состоит принципиальное различие между стационарной и нестационарной моделью Вселенной?

4. В чем смысл «инфляционного сценария» развития Вселенной?

5. Какие свойства Вселенной подтверждают эволюционную концепцию?