Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Естественно-научная картина мира. Учебник
.pdf
151
«стенках ячеек», практически пустых внутри. Характерный размер ячеек около 100 Мпк, толщина стенок 3–4 Мпк. Отдельные
фрагменты ячеистой структуры иногда называют сверхскоплениями галактик. Часто сверхскопления имеют сильно вытянутую форму, наподобие нитей, поскольку образованы пересечением стенок ячеек. Наиболее крупные и богатые скопления галактик располагаются в узлах, образованных пересечением
нитей (ребер) ячеек.
Суть ячеистой структуры состоит в том, что практически
все галактики располагаются в «стенах», которые образуют
«пчелиные соты», т.е. ячеистую структуру. Внутри же самих
ячеек почти совсем нет галактик. Указанные ячейки огромны.
Размеры их достигают 100–300 млн световых лет.
В современной космологии представляет интерес вопрос о
единственности Вселенной как объекта космологии. Наряду с
точкой зрения, что Вселенная как объект космологии — это
наша Метагалактика в ее самых общих свойствах, существует
мнение, что множество вселенных, порождаемых виртуальной
«пеной» физического вакуума, могут сосуществовать друг с
другом, а тезис об уникальности Вселенной должен рассматриваться как исторически относительный, определяемый уровнем
практики. Хотя эмпирических данных, подтверждающих представление о множественности вселенных, пока нет (более того,
проблематична даже та конкретная логико-гносеологическая
форма, в которой такой эмпирический базис может быть зафиксирован), тем не менее такое представление вытекает из принципов инфляционной космологии. Претерпевают значительные
изменения трактовки сущности пространства и времени. С одной стороны, современная астрономия опирается на общую теорию относительности, в соответствии с которой пространственно-временные характеристики перестают быть фундаментальными, не зависимыми ни от чего понятиями физики.
Геометрические характеристики тел, их поведение и ход
часов зависят прежде всего от гравитационных полей, которые в
свою очередь создаются материальными телами. Важное значение имеет то обстоятельство, что в релятивистской физике такая
характеристика, как «конечность — бесконечность», является
вариантом (относительной величиной), значит, противопо-
152
ставление конечности и бесконечности относительно — конечность пространства в одной системе не исключает его бесконечности в другой. Более того, относительны не только «конечность-бесконечность», но и топологические характеристики
пространства — времени. Это значит, что метрический и континуальный характер пространства — времени в нашей Вселенной
относителен и возможны пространственно-временные организации вещества и поля с иными топологическими характеристиками.
С другой стороны, инфляционная космология допускает
на ранних стадиях эволюции Вселенной раздувание физического вакуума со скоростью, на много порядков превышающей
скорость света, стадия раздувания физического вакуума, наполненного скалярным полем, осуществляется без присутствия вещества и излучения, которые к тому времени еще не образовались. Современная астрономия теоретически и эмпирически
обосновывает идею нестационарности Вселенной: мир астрономических объектов находится в состоянии постоянного качественного изменения, развития. Идея развития пронизывает всю
современную астрономию. Эта идея носит не умозрительный
характер, а воплощается в конкретных астрофизических и космологических моделях.
Хотя эмпирических данных, подтверждающих представление о множественности вселенных, пока нет (более того, проблематична даже та конкретная логико-гносеологическая форма,
в которой такой эмпирический базис может быть зафиксирован),
тем не менее такое представление вытекает из принципов инфляционной космологии.
Английский астроном Мартин Рис (р. 1942) ввел по этому
случаю термин «мультивселенная» — то есть это вселенная,
объединяющая в себе все неисчислимое множество вероятных
миров. Концепция множественной вселенной дает естественное
объяснение слабого антропного принципа.
6.5. Космологические принципы
Подобно принципу постоянства скорости света или принципу эквивалентности (которые лежат в основе общей теории
относительности), в основе современных космологических моделей лежит космологический принцип, иногда называемый
153
«принципом Коперника», который первым в новой истории отказался от геоцентрической системы мира. Впервые термин
космологический принцип употребил британский космолог
Эдуард Артур Милн.
Космологический принцип — основное положение современной космологии, согласно которому каждый наблюдатель
в один и тот же момент времени, независимо от места и направления наблюдения, обнаруживает во Вселенной одну и ту же
картину. Независимость от места наблюдений, то есть равноправие всех точек пространства, носит название однородности,
независимость от направления, то есть отсутствие выделенного
направления в пространстве — изотропии Вселенной.
Космологический принцип выполняется лишь приближенно, так как скопления галактик, галактики, звезды, планеты
являются отклонениями от однородности Вселенной, поскольку
их существование означает, что физические условия в разных
точках различны. Однако отклонения от однородности и изотропии не очень важны, если мы перейдем к очень большим
масштабам, превышающим примерно несколько сотен миллионов световых лет. Доказательствами однородности и изотропии
Вселенной являются: изотропия реликтового излучения; высокая степень изотропии фонового излучения в рентгеновском
диапазоне, испускаемого удаленными объектами типа квазаров,
горячего межгалактического газа и т.д.; высокая степень изотропии распределения далеких галактик.
В прошлом многие ученые предполагали, что Вселенная
устроена иерархически: каждая материальная система входит в
состав системы более высокого уровня. Если бы это было так,
это означало бы нарушение космологического принципа, поскольку какой бы объем пространства мы не рассматривали,
всегда существовало бы выделенное направление — направление к центру ближайшей системы более высокого уровня. Однако эта точка зрения, по всей видимости, опровергается наблюдательными данными. Самым главным из них является изотропия
реликтового излучения. Кроме того, фоновое излучение в рентгеновском диапазоне, испускаемое удаленными объектами типа
154
квазаров, горячего межгалактического газа и т.д., также показывает высокую степень изотропии.
Наконец, хотя близкие галактики концентрируются к
плоскости Местного сверхскопления (а еще более близкие — к
скоплению галактик в созвездии Девы), распределение далеких
галактик показывает очень высокую степень изотропии. Наконец, непосредственные подсчеты галактик указывают на то, что
чем больше характерный размер системы галактик (группы,
скопления, сверхскопления), тем слабее эта система выделена из
окружающего фона. Например, системы с размером более
100 Мпк имеют плотность, лишь на несколько процентов превышающую среднюю плотность Вселенной. Это как раз и говорит о том, что с увеличением масштаба Вселенная стремится к
однородности и изотропии, в полном соответствии с космологическим принципом. Обычно считается, что переход от структурированности к однородности и изотропии совершается на масштабах порядка полумиллиарда световых лет. Если мы возьмем
куб с ребром такого размера, то число звезд и галактик внутри
него окажется примерно одинаковым, в какую бы часть Вселенной мы этот куб ни поместили. В видимой части Вселенной может поместиться несколько тысяч таких кубов. Это значит, что в
больших масштабах Вселенная однородна и изотропна, в согласии с космологическим принципом. Уже непосредственно из
космологического принципа следуют некоторые важные выводы относительно строения Вселенной. Например, Вселенная как
целое не должна вращаться (поскольку ось вращения была бы
выделенным направлением), у нее не должно быть центра и
пространственной границы (иначе нарушалось бы условие однородности Вселенной). Даниела Сааде и Эндрю Понцен
из Университетского колледжа Лондона, использовав данные,
собранные космической обсерваторией Европейского космического агентства «Планк» в период с 2009 по 2013 гг., привели
самые убедительные на сегодняшний день доказательства изотропии пространства. Полученная карта температуры реликтового излучения является самой подробной из существующих
сегодня. Вместо того, чтобы искать неоднородность распределения температуры, ученые поступили следующим образом: они
155
создали список всех возможных вариантов существования выделенных направлений во Вселенной и систематически проверяли базу данных на наличие свидетельств о них. Такой анализ
позволил сделать следующий вывод: шансы на то, что в космосе
существует выделенное направление или ось, равны 1 : 121 000.
Для космологов, чьи вычисления основываются
на предположении об изотропии Вселенной, это довольно обнадеживающая цифра.
Таким образом, в настоящее время космологический
принцип с огромной точностью подтвержден астрономическими
наблюдениями однородности распределения материи во Вселенной в больших масштабах (> 100 Мпк) и изотропии (отсутствие выделенного направления на уровне флюктуаций температуры реликтового фона ~ 10–5). Уже одного этого оказывается
достаточным, чтобы из всего мыслимого многообразия возможных математических моделей, описывающих Вселенную в целом, выбрать весьма узкий класс однородных изотропных пространств. На предположении о равноправии всех точек
и направлений наблюдения во Вселенной (космологическом
принципе) основывается космологическая теория расширяющейся вселенной Фридмана, в рамках которой сегодня проводит
свои расчеты большинство ученых в мире.
Антропный космологический принцип — один из фундаментальных принципов современной космологии, который
фиксирует связь между крупномасштабными свойствами нашей
Вселенной (Метагалактики) и существованием в ней человека,
наблюдателя. Термин «антропный принцип» предложил английский математик Б. Картер (1973 г.): «то, что мы ожидаем
наблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми
для нашего существования как наблюдателей». Наряду с общей
формулировкой антропного принципа известны также его модификации: «слабый антропный принцип», «сильный антропный принцип», «принцип участия» («соучастника») Дж. Уилера
и «финалистский антропный принцип» Ф. Типлера.
1. Слабый антропный космологический принцип: «Наше
положение во Вселенной с необходимостью является привиле-
156
гированным в том смысле, что оно должно быть совместимо с
нашим существованием в качестве наблюдателей».
2. Сильный антропный космологический принцип: «Все-
ленная (и, следовательно, фундаментальные постоянные, от которых она зависит) должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование наблюдателей».
3. Третья формулировка — «антропный космологический
принцип участия» (participatory principle) — была предложена
Дж. А. Уилером: «Наблюдатели необходимы для того, чтобы
Вселенная возникла».
4. Четвертая формулировка — финалистский антропный
космологический принцип — была предложена Типлером: «Во
Вселенной должна возникнуть разумная обработка информации,
а, однажды возникнув, она никогда не прекратится»
(Цит. по: [95]).
Антропный принцип космологии основывается на выявленной наукой тонкой согласованности фундаментальных постоянных из различных областей естествознания. Весьма незначительное отклонение в значениях каждой из них приводит к
нарушению их целостной системы, что существенно меняет весь
сценарий мироздания и делает невозможным существование в
нем человека. Структура Вселенной, как показал анализ, оказывается весьма неустойчивой относительно численных значений
этих констант. Так, двухкратное увеличение массы электрона на
ранних стадиях эволюции Вселенной превратило бы все вещество в ней в нейтроны, кардинальным образом изменив структуру мира и не оставив в нем места для человека. Современная
структура Вселенной очень жестко обусловлена разницей в массах нейтрона и протона. Разность очень мала и составляет всего
около 10–3 от массы протона. Однако если бы она была в три
раза больше, то во Вселенной не мог бы происходить нуклеосинтез и в ней не было бы сложных элементов. Увеличение константы сильного взаимодействия всего на несколько процентов
привело бы к тому, что уже в первые минуты расширения Вселенной водород полностью выгорел бы, и основным элементом
в ней стал бы гелий. Константа электромагнитного взаимодействия тоже не может существенно отклоняться от своего значения 1/137. Если бы, например, она была 1/80, то все частицы,
обладающие массой покоя, аннигилировали бы, и Вселенная
состояла бы только из безмассовых частиц. Достаточно было бы
157
сравнительно небольшого отличия констант от существующих в
действительности, чтобы либо галактики и звезды вообще не
успели возникнуть к нашему времени (если бы константа гравитационного взаимодействия была на 8–10 % меньше), либо звезды эволюционировали слишком быстро (если бы она была
больше на 8–10 %). В соотношении констант обнаружены такие
тонкости, что, например, константа сильного взаимодействия
обеспечивает протекание ядерного синтеза в недрах звезд с образованием углерода и кислорода, которые поставляются в космос при взрыве сверхновых звезд и служат в дальнейшем материалом для формирования звезд второго поколения типа Солнца
и планетных систем. Ясно, что даже небольшого отклонения от
константы сильного взаимодействия было бы достаточно, чтобы
жизнь на Земле оказалась невозможной. Если бы величины этих
констант несколько отличались от их значений, то свойства
Вселенной были бы совсем другими. Эти самые свойства являются условиями возникновения той формы жизни, которая существует на Земле. Сущность антропного космологического
принципа в том, что жизнь является неотъемлемой частью Вселенной, естественным следствием ее эволюции. Таким образом,
наша реальная Вселенная поразительно приспособлена для возникновения и развития в ней существующей формы жизни.
Можно сказать, что нам просто повезло — константы в Метагалактике оказались благоприятными для возникновения жизни,
поэтому мы существуем и познаем Вселенную. Но наряду с такой Метагалактикой имеются многие другие с иными константами, с другим распределением материи, геометрией и даже,
возможно, с другими размерностями пространства, совершенно
неподходящими для жизни, с условиями, которые трудно вообразить.
Идеи антропного космологического принципа представляют большой научный интерес с точки зрения ответа на вопросы происхождения и эволюции окружающего мира. Основная
идея этого принципа состоит в том, что фундаментальные свойства Вселенной, значения основных физических констант и даже форма физических закономерностей тесно связаны с фактом
структурности Вселенной во всех масштабах — от элементарных частиц до сверхскоплений галактик — с возможностью существования условий, при которых возникают сложные формы
движения материи, жизнь и человек. В точности так же из бес-
158
численного множества вероятных вселенных лишь у немногих
есть шанс на то, что набор фундаментальных констант сложится
в них благоприятным (с точки зрения их дальнейшего устойчивого развития) образом, — остальные же обречены на практически мгновенное сжатие до состояния протоматерии или распыление без образования устойчивых структур. И только в этих
устойчивых вселенных может зародиться разумная жизнь, задающаяся вопросом о причинах своего происхождения.
Антропный космологический принцип предназначен объяснить, почему Вселенная такова, какой мы ее наблюдаем.
Наиболее часто приводят рассуждение о том, что если бы свойства Вселенной были бы иными, то человек, наблюдатель не мог
бы возникнуть, и вопрос: почему Вселенная такова, какой мы ее
наблюдаем, просто некому было бы задавать. В области космологических масштабов, писал А. Л. Зельманов, сама возможность существования познающего субъекта определяется свойствами изучаемого объекта: «... мы являемся свидетелями процессов определенного типа потому, что процессы иного типа
протекают без свидетелей». Объяснение, даваемое антропным
космологическим принципом, состоит в следующем:
• появление жизни и разума возможно лишь в узком диа-
пазоне физико-астрономических условий;
• тот факт, что человечество, наблюдатель возникли, доказывает, что соответствующие условия на самом деле имели место в ходе эволюции и самоорганизации Вселенной.
В заключение отметим, что каждая из приведенных формулировок содержит в себе, помимо конкретного специфического понимания присутствия наблюдателя, еще и общую черту,
независимую от конкретной интерпретации — признание некоторой корреляции между существованием наблюдателя, в роли
которого в конечном счете выступает человек, и существованием наблюдаемой Вселенной с характерными параметрами. Другими словами, антропный космологический принцип как минимум выполняет роль ограничителя при выборе наиболее реалистических физических и космологических теорий и
предлагаемых для объяснения фундаментальных свойств Вселенной научных парадигм. И как максимум, антропный космо-
159
логический принцип ставит свойства физической Вселенной в
зависимость от существования наблюдателя.
6.6. Теория Большого взрыва
Основной космологической теорией, объясняющей происхождение Вселенной, является «Большой взрыв», не противоречащий космологическому принципу, потому что все обломки
взрыва равномерно распределяются в пространстве и разбегаются по некоторому закону. Теоретическое расширение и сжатие Вселенной — ее единственные крупномасштабные движения, разрешаемые космологическим принципом.
Теория Большого взрыва не нарушает основных законов
ядерной физики, квантовой механики, дает объяснение парадоксам Г. В. Ольберса, Г. Зеелигера и т.п. В расширяющейся Вселенной скорость света достигается на расстоянии в 10 млрд световых лет (космологический горизонт), так что все звезды и галактики за пределами сферы с таким радиусом не видимы для
нас, поскольку свет от них никогда не дойдет до Земли.
О том, что Вселенная возникла мгновенно, а не создавалась миллиарды лет, свидетельствуют два факта:
1. Свободные нейтроны, необходимые для образования
стабильных ядер, имеют период полураспада около 12 мин. После трех периодов полураспада (36 мин) осталась бы всего 1/8
часть первоначального числа нейтронов, и дальнейшее образование элементов стало бы весьма редким.
2. Через 30 мин температура, соответствующая первона-
чальным частицам, опустилась бы до значений, гораздо более
низких, чем необходимо для термоядерного синтеза.
Согласно космологической модели Фридмана — Леметра,
Вселенная возникла в момент Большого взрыва, и ее расширение продолжается до сих пор. В первое мгновение взрыва материя Вселенной имела бесконечные плотность и температуру;
такое состояние называют сингулярностью. Никакого «места
взрыва», из которого выбрасывалась бы первичная материя, не
было. Во всем «пространстве», равномерно заполненном первичной материей, повсюду выделялась энергия. И лишь не-
160
сколько позже, когда это первичное вещество остыло из-за расширения пространства, равномерно распределенная материя
стала распадаться на отдельные почти неподвижные сгущения,
из которых образовались галактики, а затем и звезды. Гигантский шар первичной материи и энергии в концепции Большого
взрыва называется «илем». Скорость разлетания галактик не
есть скорость их движения в пространстве. Каждая галактика
почти неподвижна относительно окружающего ее пространства.
Ее скорость в «своем пространстве», как правило, не превышает
1 000 км/с. Разлетание Вселенной есть расширение всего пространства, и большая скорость далеких галактик — это просто
как бы эффект накопления малых скоростей расширения в каждой точке пространства.
Модель Большого взрыва и расширяющейся Вселенной —
это модель эволюционной истории Вселенной, согласно которой
она возникла в бесконечно плотном состоянии и с тех пор расширяется. Это событие произошло от 13 до 20 млрд лет назад и
известно как «Большой взрыв». Теория Большого взрыва теперь
общепринята, так как она объясняет оба наиболее значительных
факта космологии: расширяющуюся Вселенную и существование космического фонового излучения. Можно воспользоваться
известными законами физики и просчитать в обратном направлении все состояния, в которых находилась Вселенная, начиная
с 10
–43
с после Большого взрыва. Чем более ранние события мы
рассматриваем, тем меньше их пространственный масштаб; по
мере приближения к началу расширения горизонт наблюдателя
сжимается. В самые первые мгновения масштаб так мал, что мы
уже не вправе применять общую теорию относительности: для
описания явлений в столь малых масштабах требуется квантовая
механика. Но квантовой теории гравитации пока не существует,
поэтому никто не знает, как развивались события до момента
10
–43
с, называемого планковским временем. В тот момент плот-
ность материи достигала невероятного значения 1090 кг/см3, которое нельзя сравнить не только с плотностью окружающих нас
тел (менее 10 г/см3), но даже с плотностью атомного ядра (~ 1012
кг/см3) — наибольшей плотностью, доступной в лаборатории.
Поэтому для современной физики началом расширения Вселен-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]