2.Космологические модели Вселенной

Еще сравнительно недавно в астрономии господствовали представления, которые являлись прямым продолжением идей классической физики. Развитие рассматри­валось как медленный и плавный процесс перехода от одного стационарного состоя­ния к другому. Считалось, что звезды постепенно рассеивают свое вещество и оно накапливается в виде гигантских туманностей. Туманности снова сгущаются в звезды и т. д. Однако новые открытия свидетельствуют о том, что существенное значение для развития материи в наблюдаемой области Вселенной, видимо, имеют нестационарные, в частности взрывные, процессы.

Еще в первой четверти текущего столетия ученые представляли себе Вселенную как нечто неизменное, стационарное, не меняющее своих основных свойств. Однако в 1922 году советский математик А. А. Фридман, решая уравнения теории относитель­ности А. Эйнштейна, пришел к выводу, что материя в нашей области Вселенной долж­на либо расширяться, либо сжиматься, либо пульсировать. Астрономы в свою очередь обнаружили в спектрах излучения звездных островов — галактик — „ красное сме­щение" спектральных линий. Это смещение тем сильнее, чем дальше находится от нас та или иная галактика. Суть его состоит в том, что при удалении от нас какого-либо источника излучения воспринимаемая нами частота колебаний излучения должна уменьшаться, а длина волны соответственно увеличиваться. Когда же источник излучения прибли­жается, наблюдается обратное явление. Если источник излучает свет, то при его уда­лении происходит „покраснение", то есть линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн. А если он приближается, то будет наблюдаться «фиолетовое смещение». Вполне естественно, что ученые связали с этим эффектом Допплера и красное смещение, которое они наблюдали в спектрах галактик.

При этом открылась совершенно необычная картина движения гигантских кос­мических объектов во Вселенной. Получалось, что галактики разбегаются от нас во всех направлениях и, чем дальше находится та или иная галактика, тем с большей скоростью она движется. Происходит общее расширение Метагалактики, которое совершается таким образом, что скорость взаимного удаления двух звездных систем тем выше, чем больше расстояние между ними.

Картину взаимного разбегания галактик можно мысленно повернуть вспять, и тогда мы придем к выводу, что в отдаленном прошлом, около 15—20 миллиардов лет назад, материя находилась в ином состоянии, нежели в нашу эпоху. Тогда не было еще ни звезд, ни планет, ни туманностей, ни галактик. Вся материя была сосредоточе­на в очень плотном компактном сгустке горячей плазмы - смеси элементарных частиц вещества и излучения. Затем произошел взрыв этого сгустка и началось его расширение, в процессе которого образовались сначала атомы, а затем звезды, галак­тики и все другие космические объекты.

Так возникла теория расширяющейся Вселенной — одна из наиболее впечатляю­щих научных теорий XX столетия. Представления о неизменной, стационарной Все­ленной уступили место новым представлениям о Вселенной, меняющейся с течением времени. Это был новый чрезвычайно важный шаг в познании свойств окружающего нас мира. Дальнейшие исследования показали, что различные нестационарные явле­ния вообще играют важную роль в современной Вселенной.

Следовательно, Вселенная не всегда была такой, как в современную эпоху. Она изменяется с течением времени; ее прошлое не тождественно настоящему, а настоя­щее — будущему. Таким образом, когда-то нашей Вселенной вообще не существова­ло, хотя и тогда была материя, из которой она впоследствии образовалась. Материаль­ный мир вечен, а Вселенная — его часть, выделенная человеком. В процессе своей по­знавательной и практической деятельности человек выделяет, вычленяет из беско­нечно разнообразного материального мира определенные объекты, явления, связи, взаимодействия. Это как бы конечный „срез" бесконечно разнообразного мира — наша Вселенная, или, как ее иногда называют, Вселенная естествоиспытателя.

Если в первой половине XX столетия астрофизики интересовались главным об­разом изучением тех свойств космических объектов, которые характеризуют их современное состояние, то в последние десятилетия астрофизика превратилась в эво­люционную науку, в центре внимания которой находятся закономерности происхож­дения и развития космических объектов.

Таким образом, на протяжении XX столетия трудами А. Фридмана, А. Эйн­штейна, Э. Хаббла, Ж. Леметра, Г.А. Гамова и других иссле­дователей разработана концепция, согласно которой Метага­лактика находится в процессе расширения, разбегания галак­тик от какого-то первичного центра, в котором и зародилась наша Вселенная. Что предшествовало ей — трудно сказать. Предполагается, что современная Вселенная произошла из ма­терии, находящейся в особом чрезвычайно раскаленном, сверх­плотном состоянии. Примерно 15-20 млрд. лет назад этот сгу­сток материи, этот «первоатом» в силу еще неясных причин как бы взорвался и стал быстро расширяться с резким падением температуры. В ходе этого процесса расширения Метага­лактики, продолжающегося до сих пор, и сложилась та ее струк­тура, которая наблюдается в настоящее время. Эволюцию претерпевают все космические объекты — звез­ды, планеты, галактики. Сейчас известно, что обычные звез­ды в ходе претерпеваемых изменений превращаются в так на­зываемые «белые карлики», «нейтронные звезды» и «черные дыры».

Так как Вселенная в настоящее время находится в состоянии расширения, можно предположить, что когда-то она находилась в сжатом состоянии. Расчёты показывают, что это было 15-20 млрд. лет назад: материя Вселенной была сконцентрирована в точке сингулярности – это точка очень высокой плотности вещества (10⁹³ г/см³) и очень маленького объёма (10^-33 см), очень высокой температуры (10²⁷ К). Сторонники этой модели утверждают, что наблюдаемая сейчас Вселенная возникла благодаря гигантскому взрыву точки сингулярности – исходной космической материи. (Основатель теории Дж. Гамов).

Большой взрыв отличается от того, который знаком нам на Земле, он происходит одновременно везде, заполнив с самого начала всё пространство.

Горячесть начального состояния Вселенной была подтверждена в 1965 году, когда было открыто реликтовое излучение. Реликт – остаток, он состоит из фотона и нейтрино, которые образовались на ранней стадии образования Вселенной. Реликтовое излучение находится в полном соответствии с моделью горячей Вселенной и сохранилось до наших дней.

В дополнение к модели Большого взрыва возникает попытка проникнуть в более ранние отрезки происхождения Вселенной – инфляционная модель. Инфляция – от лат. “вздутие”. Инфляционная стадия предполагает процесс вздутия Вселенной до большого взрыва. Инфляционная модель описывает процессы, происходящие в вакууме. В момент рождения вселенной вакуум находился в возбуждённом состоянии (или ложном). Ложный вакуум отличается от истинного вакуума (считается, что истинный вакуум – это состояние с наинизшей энергией) тем, что обладает огромной энергией. Квантовая природа наделяет «ложный вакуум» стремлением к гравитационному отталкиванию, обеспечивающему его раздувание. Этот «ложный» вакуум представляет собой симметричное, но энергетически невыгодное, нестабильное состояние, что на языке физики означает стремление его к распаду. По разным оценкам – раздувание вакуума занимает невообразимо малый промежуток времени – 10^—33 секунды. За это время Вселенная успела раздуться до гигантского пузыря, радиус которого превышает на несколько десятков радиус современной Вселенной, отсутствует радиус вещества. К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной, но фаза инфляции не может идти бесконечно долго, и когда она иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно горячей. Этот всплеск тепла обусловлен большим запасом энергии, заключенном в ложном вакууме. В состоянии распада энергия вакуума высвободилась в виде излучения, которое нагрело Вселенную до 1027 Кельвин.

Согласно современным теоретическим моделям в процессе эволюции материя на этих уровнях обретает свои различные формы поэтапно. Эти своеобразные этапы в космологии именуются эрами. Для каждой эры выделяется преобладающая форма взаимодействия и организация материи.

Разделяют:

- эра великого объединения

- эра адронов

- лептонная эра

- фотонная эра

- эра образования звезд и галактик

- современная эпоха.

Эра великого объединения охватывает 10^-43 – 10^-45 сек. и включает в себя превращение материи от возбужденного вакуума, через его разрушение, до образования сверхплотной материи.

Эра адронов 10^-35 – 10^-6 сек. Адроны обладают весомой массой, это частицы сильного взаимодействия. Начало той эры знаменуется большим взрывом, входе которого единый до того тип взаимодействия разделяется на электросильное, гравитационное и слабое. Разделение в результате образовало: кварки, лептоны, и на их основе – адроны, главными из которых являются нейтроны и протоны – слагающие вещества. Понижение температуры происходит постепенно, как и плотности материи. На ранних стадиях материя существовала в виде частиц и излучения. Когда температура Вселенной была ещё очень большой, энергия излучения преобладала над энергией вещественных частиц. По мере снижения температуры величина этих энергий сначала сравнивается, а затем начинает преобладать энергия вещества.

Эра лептонов – от 10^-6 – 1 секунды. Температура Вселенной находится в промежутке от 10¹⁰ Кельвин – 10¹². Основную роль играют лептоны, которые участвуют во взаимном превращении протонов и нейтронов.

Фотонная эра – 1 секунда – 1млн. лет. Начало ознаменовалось разделением электрослабого взаимодействия на: слабое, ядерное и электромагнитное.

При обсуждении вопроса происхождения Вселенной и её эволюции необходимо учесть следующее. Когда говорят о «начале вре­мени», «рождении Вселенной», то надо помнить о значитель­ной доли условности, образности подобных выражений. Пространственно-временные отношения, свойственные современ­ному состоянию мира, не могут быть прямо и однозначно ис­пользованы для описания таких состояний материи, свойства которых еще не известны (или плохо известны).

Теологи и религиозно настроенные ученые начали исполь­зовать теорию «расширяющейся Вселенной» для обоснования креационизма, сверхъестественного творения мира Богом. Но показательно, что один из создателей этой теории Ж. Леметр, будучи и ученым, и аббатом, религиозным деятелем, высту­пил против подобных трактовок. Он считает, что данная тео­рия не имеет никакого отношения к вопросу о существовании Бога, поскольку бытие Бога, по его мнению, вообще находит­ся за пределами всякого возможного опыта, за рамками воз­можностей человеческого познания. Материи, из которой со­стоит наблюдаемая Вселенная, наша Метагалактика, предше­ствовали другие состояния материи. И сейчас, по мнению ряда ученых, Метагалактика не исчерпывает всего мира, бытия во­обще. Поэтому возникновение нашей Метагалактики не озна­чает образования всей Вселенной, ее начало не является абсо­лютным космологическим «началом».

С давних времен известно, что из ничего ничего не возника­ет. Любой объект может возникнуть лишь из других объектов. Абсолютной пустоты как полного отсутствия материи не существует. Если отсутствует вещество, то существует поле, если отсутствует поле, то существует его физический вакуум. Поя вакуумом, современная физика понимает особое состояние материи, а не абсолютное «ничто». Например, вакуумом элект­ромагнитного поля называют такое его состояние, в котором нет фотонов. Поэтому когда физики говорят о возможности возникновения вещества из вакуума, это не значит, что речь идет о возникновении вещества из пустоты. Встречающиеся рассуждения о том, что во Вселенной в какую-то единицу вре­мени якобы из «ничего» возникает какое-то количество веще­ства, могут означать лишь то, что речь идет о возникновении известного вещества из какого-то другого, еще не установлен­ного вида материи.

Как нет абсолютного начала, так нет и абсолютных тупиков развития. Все относительно и связано процессами взаимопре­вращения. Обнаруживаются пути дальнейшего включения в бес­конечный мировой процесс и белых карликов, и нейтронных звезд, и черных дыр. «Трупами» их можно считать лишь по отношению к отдельным определенным звездам, но не по от­ношению ко всему космосу.

И еще один очень интересный вопрос, связанный с изучением Вселенной,— геометрические свойства пространства, его конечность или бесконечность. Эту проб­лему пытались решить еще великие философы древности. Они исходили, казалось бы, из сравнительно простых и на первый взгляд неопровержимых логических сообра­жений.

Здесь надо иметь в виду, что в прошлом понятие Вселенной отождествлялось с понятием материального мира. И по существу, когда речь шла о конечности или бесконечности Вселенной, то фактически рассматривался вопрос о конечности или бесконечности материального мира. Представим себе, говорили философы древности, что у мира есть край и человек достиг этого края. Однако стоит ему только вытянуть руку — и она окажется за гра­ницей мира. Тем самым рамки мира раздвигаются еще на некоторое расстояние. Тогда можно будет приблизиться к новой границе и повторить ту же операцию еще раз. И так без конца. Значит, мир не может иметь границ. „Нет никакого конца ни с одной стороны у Вселенной, ибо иначе края непременно она бы имела", — писал римский философ-материалист Лукреций Кар (I в. до н.э.) в своей поэме ,,0 природе вещей"

И действительно, если необычайно трудно, почти невозможно представить себе пространство, которое в любом направлении простирается безгранично, то еще труд­нее представить себе обратное: что у мира где-то существует край, есть предел, гра­ница. Ведь в таком случае действительно возникает вполне естественный вопрос: а что находится дальше?

Однако весь опыт познания природы убедительно доказывает, что „нагляд­ность" — весьма ненадежный советчик при решении научных вопросов.

На протяжении истории науки представления о геометрических свойствах про­странства менялись не раз. Аристотель и Птолемей ограничивали мир „сферой непод­вижных звезд", классическая физика Ньютона, наоборот, приходила к выводу о бес­конечности мирового пространства; И лишь с возникновением теории относитель­ности А. Эйнштейна появилась возможность более глубоко разобраться в существе этой проблемы. Если физика Ньютона рассматривала пространство как простое вме­стилище небесных тел, то А. Эйнштейну удалось вскрыть тесную связь между гео­метрией пространства и материей.

Любое тело не просто находится в пространстве, но определяет его геометри­ческие свойства. Вблизи тел пространство искривляется. В повседневной жизни такую особенность мы практически не ощущаем, поскольку нам обычно приходится иметь дело со сравнительно небольшими расстояниями. Однако при космических масштабах искривленность пространства приобретает существенное значение.

Таким образом, пространство, в котором мы живем, искривлено. А в искрив­ленном мире „неограниченность" и „бесконечность" — не одно и то же. Оказывается, неограниченное пространство, то есть пространство, не имеющее „края", гра­ницы, в то же время может быть конечным, как бы замкнутым в себе. В качестве примера можно привести поверхность шара. Площадь этой поверхности всегда имеет конечную величину. В то же время, продвигаясь по ней, мы никогда не достигнем ее границы. Следовательно, она неограниченна.

Таким образом, в принципе возможен случай, когда пространство неограниченно (то есть не имеет предела, границы) и в то же время конечно (то есть объем его вы­ражается конечным числом).

Что же касается его конечности или бесконечности, то этот вопрос могут решить только конкретные науки — астрономия и физика.

И еще одно важнейшее свойство материального мира необходимо отметить — его бесконечное разнообразие. Вселенная — это часть материального мира, но эта часть тоже может быть как конечной, так и бесконечной. Ее геометрические свойства самым тесным образом связаны со средней плотностью массы. Проделаем мысленный эксперимент. Соберем все массы, имеющиеся во Вселенной, и равномер­но распределим по всему пространству Вселенной. Выясним, какова окажется сред­няя плотность. Из общей теории относительности Эйнштейна следует, что если эта плотность превосходит 10~²⁹ г/см³, то пространство Вселенной замкнуто и, конечно, в противном случае оно незамкнуто и бесконечно. В соответствии с существовав­шими до настоящего времени астрофизическими данными реальная средняя плот­ность оценивалась ниже критического значения.

Однако не так давно был получен результат, который может внести в представ­ления о геометрии Вселенной серьезные изменения. Результат, о котором идет речь, связан со свойствами уже известной нам элементарной частицы нейтрино. Долгое время считалось, что эта частица всегда движется со скоростью, в точности равной скорости света, и лишена так называемой массы покоя. С другой стороны, теория не накладывала никаких запретов и на возможность наличия у нейтрино массы, отлич­ной от нуля. В связи с этим группа советских ученых в Институте теоретической и экспериментальной физики АН СССР поставила ряд опытов по выяснению дейст­вительной величины массы одной из разновидностей нейтрино.

В результате ученые пришли к выводу, что масса нейтрино, по-видимому, не рав­на нулю, а составляет около одной тридцатитысячной массы электрона. Масса не столь большая, но сам факт ее существования, если он подтвердится, повлечет за собой важные последствия для целого ряда астрофизических представлений и проблем, в том числе и для решения вопроса о пространственной конечности или бесконеч­ности Вселенной.

Согласно имеющимся данным, на каждый протон, существующий во Вселенной (о протонах речь идет постольку, поскольку водород является самым распростра­ненным в природе химическим элементом), приходится около миллиарда нейтрино. Таким образом, если нейтрино действительно обладает конечной массой, то даже при условии, что эта масса в несколько десятков миллионов раз уступает массе про­тона, общая масса нейтрино во Вселенной примерно в 30 раз превосходит массу ,,обычного" вещества! Может оказаться, что все звезды, планеты, туманности и га­лактики — лишь ничтожная добавка к нейтринному „фону" Вселенной. А это, в свою очередь, будет означать, что средняя плотность намного превосхо­дит критическую. И, следовательно, наша Вселенная замкнута и конечна и ее расшире­ние со временем (через многие миллиарды лет) должно смениться сжатием.

Изучая Вселенную, астрономы на основе данных наблюдений строят все более сложные и все более точные модели, способные описать и объяснить все большее число космических явлений. Однако любая такая теоретическая модель - это не сама Вселенная, а только ее приближенное описание, которое по мере развития нау­ки становится все более глубоким и все более близким к реальной действитель­ности.

Развитие астрономии в XX веке выявило тесную взаимосвязь и взаимозависи­мость между существованием жизни на Земле и свойствами Вселенной. В физичес­ком отношении человечество является частью Вселенной и подчиняется действующим в ней физическим и другим закономерностям. В частности, само возникновение жизни на Земле обусловлено всем ходом эволюции материи во Вселенной, эволюции, на определенном этапе которой сложились условия, сделавшие возможным образова­ние живых структур.

Еще с прошлого века обсуждается проблема «тепловой смер­ти» Вселенной. В 60-е годы XIX в. немецкий физик Р. Клаузиус сформулировал второе начало термодинамики — закон воз­растания энтропии (меры неупорядоченного, хаотического дви­жения) в необратимых процессах. Из этого закона был сделан вывод, что процесс мирового развития идет в направлении превращения других форм движения в тепловую и равномер­ного распределения теплоты в бесконечном пространстве, что сделает, в конце концов, невозможным существование выс­ших форм материи, в том числе и жизни. Следует согласиться с теми учеными (физиками и философами), которые считают такой вывод ошибкой, возникающей из-за неправомерного рас­пространения закона возрастания энтропии, отражающего тен­денцию к тепловому равновесию конечных, замкнутых систем, на всю бесконечную Вселенную (в смысле всего мира в целом). Аналогично расширение (или сжатие) какой-либо части Все­ленной (нашей Метагалактики, например) есть тоже местный, конечный эффект и его нельзя распространять на всю бесконеч­ную Вселенную.

Наряду с процессами рассеяния материи в космосе проис­ходят и обратные процессы ее концентрации. Взятый в отдель­ности каждый такой процесс неизбежно приводит к тупику, концу какой-либо линии развития, но объективно они суще­ствуют в неразрывном единстве, переходя друг в друга. Фило­соф и астрофизик А.П. Трофименко представляет взаимоотно­шения форм движения и энергии в космических масштабах сле­дующим образом. Рассеянная энергия излучения, концент­рируясь в черных дырах, превращается в кинетическую энер­гию. Затем кинетическая энергия рассеиваемой материи антиколлапсара (своего рода антипода черной дыры) переходит в гравитационную потенциальную энергию. Распад рассеянного вещества на отдельные облака и их дальнейшая концентрация (сжатие) ведет к непрерывному переходу потенциальной энер­гии в энергию теплового движения. Этот процесс, нарастая, приводит к образованию звездных объектов, в которых тепло­вая форма движения дает жизнь ядерной форме. В результате ядерных реакций в звездах создаются устойчивые термодина­мические потенциалы. Так в принципе может восстанавли­ваться термодинамическая активность материи.

Физик B.C. Барашенков, давно и плодотворно исследую­щий философские проблемы современного естествознания, обращает внимание на необходимость брать второе начало тер­модинамики вместе с «теоремой площадей всех черных дыр». ' Неуменьшающейся величиной в общей теории относительнос­ти оказывается суммарная площадь всех черных дыр, а не энт­ропия. Размеры черной дыры пропорциональны квадрату ее массы и могут лишь возрастать по мере накопления поглощае­мой массы. «Теорема площадей» очень похожа на второе нача­ло термодинамики, но говорит о противоположном: об умень­шении, а не увеличении энтропии. И, взятая в отдельности, эта теорема так же приводит в пределе к выводу о неизбежной «смерти» Вселенной, но уже не в результате диссипации, рас­сеяния энергии, а, наоборот, вследствие гравитационного стя­гивания всего вещества Вселенной в черные дыры — эти «кос­мические могильники», разбросанные в пространстве.

Однако теорема площадей является точной только в рамках классической гравитационной теории черных дыр и теряет силу, если принять во внимание квантовые эффекты, уменьшающие массы и площади черных дыр. Черные дыры — это концентра­торы вещества и энергии, возвращающие их обратно в окружаю­щее пространство путем квантового испарения и взрывов. В отдельности к черным дырам неприменимы ни второе начало термодинамики, ни его гравитационный аналог — «теорема площадей». Поскольку же уменьшение энтропии сопровожда­ется увеличением площади черных дыр и наоборот, то можно предположить, что неубывающей величиной в действительности является их сумма. Такое обобщенное второе начало термоди­намики объединяет сразу три раздела физики: общую теорию относительности, термодинамику и квантовую теорию. В фи­лософском плане такой подход представляется безупречным.