Модель Вселенной. Стационарная Вселенная. Оглавление Модель Вселенной 1 Стационарная Вселенная 2 Следствия 3 Полевая теория элементарных частиц 4 Фотон- нейтринные взаимодействия 5 Красное смещение 6 Вывод 7 Модели Вселенной В XX столетии конкурировали две космологические теории - теория расширяющейся Вселенной (начальное состояние, из которого возникла Вселенная, было таким горячим и плотным, что могли существовать только элементарные частицы и излучение; затем вселенная расширялась и охлаждалась, образуя звезды и галактики) и теория стационарной Вселенной (Вселенная существовала всегда, наблюдаемое разряжение вещества компенсируется его непрерывным творением). Стационарная Вселенная Эйнштейн использовал всемирные уравнения из ОТО и связал кривизну пространства-времени с материей Вселенной. Он произвольно ввел "космическое отталкивание", которое было очень мало, но удерживало Вселенную от стягивания в точку. Теория стационарной Вселенной не отрицает расширение Вселенной. Идеи непрерывного творения материи возникали неоднократно. Так, в 1948 г. у группы ученых Кембриджского университета (Г. Бонд, Т. Голд и Ф. Хойл) родилась гипотеза стационарной Вселенной. Весьма возможно, что именно творение новой материи приводит к расширению Вселенной, а не наоборот. Общий возраст стационарной Вселенной- понятие бессмысленное. Чтобы плотность во Вселенной оставалась неизменной, должны постоянно формироваться новые частицы. Закон сохранения материи и энергии применим только к окончательным объёмам, и поскольку каждый 3 атом водорода сотворённый в 1 м, уравновешивается таким же атомом, покидающим этот объём, закон сохранения не нарушается. Закон сохранения может быть проверен лишь в ограниченном пространстве.. Сторонник этого мнения шведский астрофизик, лауреат Нобелевской премии за 1970 г., Х. Альфен считает, что межзвездное пространство заполнено длинными "нитями" и другими структурами, состоящими из плазмы. Силы, которые понуждают плазму образовывать такие фигуры, заставляют ее образовывать также и галактики, звезды и звездные системы. Он считает, что Вселенная расширяется под влиянием энергии, которая выделяется при аннигиляции частиц и античастиц, но это расширение происходит несколько медленней. Следствия Следствия исследований: 1) квазары имеют небольшую мощность излучения, а не превышающую на несколько порядков мощность излучения целых галактик, как принято считать в современной космологии; 2) в квазарах вещество разлетается с до световыми скоростями, а сверхсветовые значения получаются в результате завышения размеров Вселенной. Причину старения (покраснения) квантов он видит в гравитационном смещении частоты излучения, которое пропорционально не расстоянию до источника света, а квадрату расстояния. В этом случае размер видимой части Вселенной не 15 млрд. световых лет, а 5. Являются спорными утверждения об "окончательной доказанности" горячего происхождения Мироздания и скоростной природы космологического красного смещения. Э.Хаббл, открывший в 1929 г. закон космологических красных смещений в 1936 г. опубликовал первые наблюдательные доказательства ошибочности представлений о разбегании галактик. В частности установлено, что эмпирические зависимости, полученные по данным статистической обработки около ста каталогов внегалактических объектов, согласуются с исходными теоретическими соотношениями, выведенными на основе представлений об устойчивости Вселенной и "старении" фотонов. В целом они находятся в непримиримых противоречиях с космологическими моделями теории Большого Взрыва при любых комбинациях параметров этих моделей. "...Тщательное исследование возможных источников ошибок показывает, что наблюдения, по-видимому, согласуются с представлениями о не скоростной природе красных смещений. ...В теории до сих пор продолжается релятивистское расширение Вселенной, хотя наблюдения и не позволяют установить характер расширения. Итак, исследования пространства закончены на ноте неопределенности, но так и должно быть. Мы находимся, по определению, в самом центре наблюдаемой области. Наших ближайших соседей мы знаем, пожалуй, достаточно хорошо. По мере увеличения расстояния наши знания уменьшаются, причем уменьшаются быстро. В конечном счете наши возможности ограничены пределами наших телескопов. А дальше мы наблюдаем тени и ищем среди ошибок измерений ориентиры, которые едва ли являются более реальными. 2 Исследование будет продолжено. Пока не исчерпаны возможности эмпирического подхода, не следует погружаться в призрачный мир умозрительных построений." (Хаббл "Мир туманностей", 1936 г.) Полевая теория элементарных частиц В настоящее время полевая теория элементарных частиц установила механизм потери фотонами части энергии при их прохождении через Вселенную альтернативный эффекту Доплера и гипотезе Большова взрыва. - Это фотон- нейтринные взаимодействия игнорируемые стандартной моделью. Следовательно, красное смещение нельзя рассматривать как доказательство Большого взрыва и по величине красного смещения нельзя судить о скорости движения далеких объектов. Таким образом идея стационарной Вселенной получила неожиданную поддержку и поэтому теперь ее нельзя сбрасывать со счетов. Фотон- нейтринные взаимодействия Согласно полевой теории элементарных частиц, электронное нейтрино (как и любая другая элементарная частица) обладает постоянным электрическим и магнитным полем и переменным электромагнитным полем. Согласно классической электродинамики данные электромагнитные поля будут взаимодействовать с другими электромагнитными полями, в том числе и с электромагнитным полем фотона. Таким образом, прохождение фотона через электронное нейтрино (выбрасываемое в гигантских количествах звездами) или его молекулярное соединение (νe2) не окажется для последнего не замеченным - пусть это будет очень слабое изменение или уменьшение энергии фотона, но оно будет. И чем больше фотон повстречает на своем пути электронных нейтрино или их молекулярных соединений - тем больше энергии он потеряет и соответственно сильнее будет красное смещение. Одно дело, когда фотон летит параллельно с электронным нейтрино (движущейся с около световой скоростью) одним курсом, когда они были оба излучены солнцем и совсем другое дело, когда фотон сталкивается с покоящимся электронным нейтрино, со связанным состоянием из двух электронных нейтрино (νe2), или с электронным нейтрино, выпущенным другой звездой (движущейся в другом направлении). Теряемая фотоном энергия от взаимодействия с электронным нейтрино зависит от ориентации спина электронного нейтрино, траектории по которой фотон проходит через электронное нейтрино, а также от энергии самого фотона. Это не просто посчитать, но можно измерить с помощью космических аппаратов и лазеров. 3 Необходимо отметить, что данное взаимодействие не соответствует стандартной модели, поскольку последняя наделяет участвующие в нем элементарные частицы разными типами фундаментальных взаимодействий:  Нейтрино -гипотетическим слабое взаимодействие,  Фотон- электромагнитное взаимодействие. Поэтому и делается вывод о разбегании галактик на одностороннем толковании красного смещения в пользу эффекта Доплера. - В противовес этому полевая теория элементарных частиц установила о наличии электромагнитных полей у всех элементарных частиц, в том числе и у такой неуловимой элементарной частицы как у электронного нейтрино. Следовательно фотон и электронное нейтрино обладая общими электронными взаимодействиями, согласно классической электродинамике должны взаимодействовать друг с другом и у гипотезы "старения света" появляется союзник- полевая теория элементарных частиц. И если отбросить стандартную модель ошибочность, которой уже доказана, то это автоматически низвергает и "теорию Большого взрыва" до уровня простой гипотезы, противоречащей законам природы. Красное смещение На протяжении веков разные космологические модели сменяли друг друга, но считалось абсолютно незыблемым, что Вселенная бесконечна во времени и пространстве. Звездное небо над головой являлось символом вечности и неизменности. Но в 1929 году, исходя из наблюдений спектров галактик, Эдвин Хаббл сформулировал свой закон, из которого следует, что Вселенная расширяется. Он звучит так: скорости разбегания галактик возрастают пропорционально расстоянию до них: v = Hr где v - скорость удаления галактики от нас, r - расстояние до нее, а H - постоянная Хаббла. Н= 70 км/(с Мпк). Закон Хаббла вовсе не означает, что наша Галактика является центром, от которого и идет расширение. В любой точке Вселенной наблюдатель увидит ту же самую картину: все галактики убегают друг от друга. Поэтому говорят, что расширяется само пространство. Расширение Вселенной – это самое величайшее из известных человечеству явлений природы. Чем быстрее удаляется от нас галактика, тем сильнее линии в ее спектре будут смещены в сторону красного цвета, согласно эффекту Доплера. 4 Эффект назван в честь христианина Андреас Доплера, который предложил первое известное физическое объяснение явления в 1842 г. Гипотеза была проверена и подтверждена для звуковых волн голландским Избирательным бюллетенем ученого Кристофа Хендрика Дидерика Байса в 1845 г. Доплер правильно предсказал, что явление должно обратиться ко всем волнам, и в особенности предложило, что переменные цвета звезд могли быть приписаны их движению относительно Земли. Данное явление и называется «красное смещение» - наблюдаемое для всех далёких источников (галактики, квазары) понижение частот излучения, свидетельствующее о динамическом удалении этих источников друг от друга и, в частности, от нашей Галактики, т.е. о не стационарности (расширении) Метагалактики. Красное смещение наблюдается и в излучениях любых других частот например в радиодиапазоне. Противоположный эффект, связанный с повышением частот, называется фиолетовым смещением. Чаще всего термин «красное смещение» используется для обозначения двух явлений - космологического и гравитационного. Космологическим красным смещением называют наблюдаемое смещение спектральных линий в сторону длинных волн от далекого космического источника (например, галактики или квазара) в расширяющейся Вселенной по сравнению с длиной волны тех же линий, измеренной от неподвижного источника. Красное смещение также является мерой времени, протекшего с момента начала расширения Вселенной до момента испускания света в галактике. Так, по современным астрономическим данным, самые первые галактики образовались в момент времени, соответствующий красному смещению 5, то есть спустя примерно 1/15 часть современного возраста Вселенной. Значит, свет от этих галактик шел до нас примерно 8.5 миллиардов лет. Вплоть до начала нашего века ученые полагали, что основные объекты во Вселенной неподвижны по отношению друг к другу. Затем в 1913 году американский астроном Весто Мельвин Слайфер начал изучать спектры света, приходящего из десятка известных туманностей и заключил, что они движутся от земли со скоростями, достигающими миллионы миль в час. Каким образом Слайфер пришел к такому удивительному заключению? Обычно астрономы использовали спектрографический анализ для определения химических элементов, присутствующих в звездах. Было известно, что спектр света связан с определенными элементами, показывающими характерные образцы линий, которые служат своего рода визитной карточкой элемента. Слайфер заметил, что в спектрах галактик, которые он изучал, линии определенных элементов были смещены в направлении красного конца спектра. Это любопытное явление и было названо "красным смещением". 5 Поэтому считается, красное смещение для галактик впервые было обнаружено В. Слайфером, а в 1929 г. Э. Хаббл открыл, что красное смещение для далёких галактик больше, чем для близких, и возрастает приблизительно пропорционально расстоянию (закон Хаббла). Предлагались различные объяснения наблюдаемого смещения спектральных линий. Такова, например, гипотеза о распаде световых квантов за время, составляющее миллионы и миллиарды лет, в течение которого свет далёких источников достигает земного наблюдателя; согласно этой гипотезе, при распаде уменьшается энергия, с чем связано и изменение частоты излучения. Однако эта гипотеза не подтверждается наблюдениями. В частности, красное смещение в разных участках спектра одного и того же источника, в рамках гипотезы, должно быть различным. Между тем все данные наблюдений свидетельствуют о том, что красное смещение не зависит от частоты. Относительное изменение частоты Z = (fo - f")/fo совершенно одинаково для всех частот излучения не только в оптическом, но и в радиодиапазоне данного источника (fo - частота некоторой линии спектра источника, f" - частота той же линии, регистрируемая приёмником). В теории относительности доплеровское красное смещение рассматривают как результат замедления течения времени в движущейся системе отсчёта (эффект специальной теории относительности). Фотографирование спектров слабых (далёких) источников для измерения красного смещения, даже при использовании наиболее крупных инструментов и чувствительных фотопластинок, требует благоприятных условий наблюдений и длительных экспозиций. Для галактик уверенно измеряются смещения Z = 0,2, соответствующие скорости V = 60 000 км/сек и расстоянию свыше 1 млрд. пс. При таких скоростях и расстояниях закон Хаббла применим в простейшей форме (погрешность порядка 10%, т.е. такая же, как погрешность определения Н). Квазары в среднем в сто раз ярче галактик и, следовательно, могут наблюдаться на расстояниях в десять раз больших (если пространство евклидово). Для квазаров действительно регистрируются Z = 2 и больше. При смещениях Z = 2 скорость V= 240000 км/сек. Считают, что при таких скоростях уже сказываются специфические космологические эффекты – не стационарность и кривизна пространства-времени; в частности, становится неприменимым понятие единого однозначного расстояния (одно из расстояний - расстояние по красному смещению - составляет здесь, очевидно, R = V/H = 4,5 млрд. пс). Таким образом, считают, что красное смещение свидетельствует о расширении всей доступной наблюдениям части Вселенной; это явление обычно называется расширением (астрономической) Вселенной. Гравитационное красное смещение считают следствием замедления темпа времени обусловленного гравитационным полем (эффект общей теории относительности). Это явление (называется также эффектом Эйнштейна, обобщённым эффектом Доплера) было предсказано А. Эйнштейном в 1911, наблюдалось, начиная с 1919 года сначала в излучении Солнца, а затем и некоторых других звёзд. Гравитационное красное смещение принято 6 характеризовать условной скоростью V, вычисляемой формально по тем же формулам, что и в случаях космологического красного смещения. Значения условной скорости: для Солнца V = 0,6 км/сек, для плотной звезды Сириус V = 20 км/сек. В 1959 г. впервые удалось измерить красное смещение, обусловленное гравитационным полем Земли, которое очень мало: V = 7,5×10^-5 см/сек (опыт Паунда - Ребки). В некоторых случаях (например, при гравитационном коллапсе) должно наблюдаться красное смещение обоих типов (в виде суммарного эффекта). Наличие у галактик красного смещения (z) позволяет с большой точностью определять расстояния до них по формуле: R=zc/H. Некоторые квазары имеют большое красное смещение. Такие объекты удаляются со скоростью, близкой к скорости света. Красные смещения измерены у сотен тысяч галактик. Самые далекие из них находятся на расстоянии 12 миллиардов световых лет. Вывод, о расширении Вселенной следовал из общей теории относительности Эйнштейна, но даже сам Эйнштейн вначале воспринял это со скепсисом, так как это была идея поступательной эволюции, и в ней было начало, или как говорят сегодня момент рождения, что, конечно, полностью противоречило существующим понятиям бесконечной во времени и пространстве Вселенной. Тем не менее, эта идея была подтверждена наблюдениями и сейчас является общепринятой в научной мире. В 1946 году Георгий Гамов и его коллеги разработали физическую гипотезу начального этапа расширения Вселенной (теория горячей Вселенной), правильно объясняющую наличие в ней химических элементов, в определенных пропорциях, их синтезом при очень высоких температуре и давлении. Поэтому начало расширения Вселенной по теории Гамова назвали «Большим Взрывом». В своем основании эта теория предполагает, что в начале вся материя во Вселенной была сконцентрирована внутри ничтожно малого объема бесконечно большой температуры и давления. Затем, согласно сценарию, она взорвалась с чудовищной силой. Этот взрыв породил перегретый ионизированный газ, или плазму. Эта плазма однородно расширялась, пока не остыла до такой степени, что превратилась в обычный газ. Внутри этого охлаждающегося облака расширяющегося газа сформировались галактики, и внутри галактик рождались поколения звезд. Затем вокруг звезд сформировались планеты, такие как наша Земля. Но мало людей осознают такой факт, что даже из самых мощных телескопов невозможно реально увидеть движение галактик от нас. Картины, которые мы видим - неподвижны, и ученые не претендуют показать их видимое движение, даже если наблюдения будут продолжаться веками. 7 Итак, чтобы узнать расширяется Вселенная или нет, необходимо рассмотреть свет и другие сорта излучений, которые доходят до нас, пересекая области межзвездного пространства. Изображения, формирующиеся из этих излучений, прямо не показывают расширения Вселенной, но тонкие особенности излучения убедили ученых, что это расширение имеет место. Ученые делают первое предположение, что земные законы физики применимы без изменения повсюду во Вселенной. Затем они пытаются понять, как процессы, подчиняющиеся этим законам, порождают наблюдаемый свет. Чтобы понять, как ученые, используя этот путь для анализа света, делают вывод, что Вселенная расширяется, давайте заглянем в историю астрономии и астрофизики. Астрономы, наблюдая небеса, давно уже заметили, что вдобавок к отдельным звездам и планетам на небе существовали много слабо светящихся тел. Они назвали их «nebulae». Это латинское слово, означающее «облако» или «туманность». И позднее, с развитием их концепции, эти объекты назвали галактиками. Большей по размеру, чем полная луна, и настолько тусклой, что еле видна невооруженным глазом, выглядит соседняя галактика Андромеда. В начале нашего века астрономы обратили мощные новые телескопы к этой и другим галактикам и обнаружили, что они представляют собой обширные острова из миллиардов звезд. На дальних расстояниях были обнаружены целые скопления галактик. До открытия звезд в Андромеде думали, что все небесные тела расположены внутри границ нашей галактики. Но в связи с развитием концепции и открытием других, более далеких, галактик все изменилось. Размеры Вселенной расширились за пределы понимания. Открыв явление «красного смещения» В.Слайфер начал объяснять его эффектом Доплера, откуда можно сделать вывод, что галактики движутся от нас. Это был первый большой шаг к идее, что вся Вселенная расширяется. Эффект Доплера часто разъясняют, используя пример с гудком поезда, который меняет высоту звука, при движении поезда мимо нас. Это явление впервые научно изучалось в 1842 году австрийским физиком Христианом Джоанном Доплером. Он предполагал, что интервалы между звуковыми волнами, излученными от объекта, движущегося в направлении к наблюдателю, сжимаясь, поднимают высоту тона звука. Подобным образом, интервалы между звуковыми волнами, достигающими наблюдателя от источника, движущегося от него, удлиняются, и, таким образом, высота звука понижается. Сообщалось, что Доплер проверял эту идею, поместив трубачей на железнодорожной платформе, приводимой в движение локомотивом. Музыканты с совершенным слухом внимательно слушали, когда мимо них проезжали трубачи, и они подтвердили анализ Доплера. 8 Доплер предсказал подобный эффект и для световых волн. Для света, увеличение в длине волны соответствует смещению в направлении к красному концу спектра. Поэтому спектральные линии объекта, перемещающегося от наблюдателя, должны сместиться к красному концу спектра. Слифер выбрал для интерпретации своего наблюдения галактик эффект Доплера. Он заметил красное смещение и решил, что галактики должны удаляться от нас. Другой шаг, ведущий к убеждению в расширении Вселенной, был сделан в 1917 году, когда Эйнштейн опубликовал свою теорию относительности. До Эйнштейна ученые всегда предполагали, что пространство простирается бесконечно по всем направлениям, и что геометрия пространства Эвклидова и трехмерна. Но Эйнштейн предположил, что пространство может иметь другую геометрию - четырехмерного искривленного замкнутого пространства-времени. Согласно теории Эйнштейна существует множество форм, которые может принимать пространство. Одна из них - замкнутое пространство без границ, похожая на поверхность сферы; другая - отрицательно искривленное пространство, которое бесконечно простирается во всех направлениях. Сам Эйнштейн думал, что Вселенная статична, и он приспособил свое уравнение для этого. Но, почти, в то же время, датский астроном Вильям де Ситтер нашел решение уравнения Эйнштейна, которое предсказывало быстрое расширение Вселенной. Такая геометрия пространства должна изменяться со временем. Работа де Ситтера вызвала интерес среди астрономов всего мира. Среди них - Эдвин Хаббл. Он присутствовал на конференции Американского Астрономического Общества в 1914 году, когда Слайфер докладывал о своих оригинальных находках в движении галактик. В 1928 году в знаменитой обсерватории Маунт Вильсон, Хаббл взялся за работу в попытке соединить теорию де Ситтера о расширяющейся Вселенной и наблюдения Сайфера удаляющихся галактик. Хаббл рассуждал примерно так: В расширяющейся Вселенной вы должны ожидать удаление галактик друг от друга. И, более далекие галактики будут удалятся друг от друга быстрее. Это должно означать, что из любой точки, включая Землю, наблюдатель должен видеть, что все другие галактики удаляются от него, и, в среднем, более далекие галактики должны двигаться быстрее. Хаббл думал, что если бы это было верно и наблюдалось на самом деле, то оказалось бы, что существует пропорциональная зависимость между расстоянием до галактики и степенью красного смещения в их спектре. Он наблюдал, что в спектрах большинства галактик имеет место красное смещение, и галактики на больших расстояниях от нас имеют большее красное смещение. Хаббл не знал, насколько удалена от нас каждая данная галактика и поэтому предложил использовать такую идею: «Мы можем начать оценивать расстояния до ближайших звезд при помощи различных методов. Затем, шаг за шагом, мы 9 можем построить «лестницу космических расстояний», которая даст нам оценку расстояний до некоторых галактик. Если мы сможем оценивать присущую яркость галактик, тогда мы сможем найти отношение расстояния до неизвестной галактики к расстоянию до известной, измеряя видимую яркость галактики. Эта зависимость подчиняется закону обратного корня. Здесь мы не будем вникать в детали комплексной процедуры, используемой для обоснования лестницы расстояний. Заметим только, что эта процедура включает в себя много теоретических интерпретаций, в которых много сомнительных мест, и, которые подвергались ревизии, часто в неожиданных местах. Это будет проявляться по мере изложения». Хаббл, используя свой метод аппроксимации расстояний, обосновал пропорциональную зависимость, известную сейчас как закон Хаббла, между величиной красного смещения и расстоянием до галактики. Он полагал, что ясно показал то, что наиболее далекие галактики имеют наибольшие красные смещения и поэтому движутся от нас наиболее быстро. Он принял это как достаточное доказательство, что Вселенная расширяется. С течением времени эта идея так твердо обосновалась, что астрономы начали применять ее наоборот: Если расстояние пропорционально красному смещению, то по измеренному красному смещению можно просто вычислить расстояние до галактик. Но как мы заметили, расстояния Хаббла определены не прямым измерением расстояния до галактик. Наоборот, они получены косвенно, из измерения видимой яркости галактик. Таким образом, модель расширяющейся Вселенной имеет два потенциальных изъяна: во-первых, яркость небесных объектов может зависеть от других факторов, а не только от расстояния, и таким образом, расстояния, вычисленные из видимых яркостей галактик, могут быть недействительными; во-вторых, возможно, что красное смещение не связано со скоростью. Фактически, некоторое количество астрономов утверждают, что некоторые красные смещения не вызваны эффектом Доплера. И до сих пор стоит вопрос о правильности концепции расширяющейся Вселенной. Астрономом, который поставил под сомнение интерпретацию, что все красные смещения вызваны эффектом Доплера, является Хэльтон Арп. На Паломаре он наблюдал много примеров противоречивых красных смещений, которые не подчиняются закону Хаббла. Анализируя их, он предположил, что красные смещения в общем случае могут быть вызваны другими, отличными от эффекта Доплера, механизмами. Здесь возникает вопрос, почему ученые интерпретируют красные смещения исключительно эффектом Доплера. Может быть правильно то, что эффект 10 Доплера вызывает красное смещение, но откуда наверняка можно знать, что красное смещение вызвано именно эффектом Доплера? Одной из главных причин такого заключения является то, что согласно современной физике красное смещение может вызывать, исключая эффект Доплера, только мощное гравитационное поле. Если свет движется против гравитационного поля, то он частично теряет свою энергию и испытывает красное смещение. Однако, астрономы не находят такое объяснение приемлемым для звезд и галактик, потому что, чтобы вызвать наблюдаемое красное смещение, гравитационное поле должно быть неправдоподобно сильным. Арп сообщает, что он нашел объект с большим красным смещением в непосредственной близости от другого, имеющего малое красное смещение. Согласно стандартной теории расширяющейся Вселенной, объект с малым красным смещением должен быть относительно ближе к нам, а объект с большим красным смещением должен быть дальше. Таким образом, два объекта, находящиеся близко друг к другу, должны иметь примерно одинаковые красные смещения. Однако, Арп приводит следующий пример: Спиральная галактика NGC 7603 связана с соседней галактикой при помощи светящегося моста, и тем не менее соседняя галактика имеет красное смещение на 8000 километров в секунду больше чем спиральная галактика. Если судить по разнице их красных смещений, галактики должны быть в значительных расстояниях друг от друга, определенно, соседняя галактика должна находиться на 478 миллионов световых лет дальше - уже странно, ведь две галактики достаточно близки для физического контакта. Сравнения их, наша Галактика отстает от ближайшей соседки, галактики Андромеды, всего на 2 миллиона световых лет. Конечно, имеются сторонники стандартной точки зрения, которые сильно не согласны с интерпретацией Арпа. Они полагают, что объекты на самом деле расположены далеко друг от друга, а их видимая близость только кажущаяся. Так называемый светящийся мост существует, но более далекая галактика только случайно оказалась сзади моста вдоль нашего луча зрения. Тем не менее, Арп отмечает значительную поверхностность в рассуждениях противников его идеи: «Галактика, которую они показывают, в любом случае необычна. Светящийся мост к звезде является просто одним из его обычных спиральных рукавов». Однако в примере Арпа мост является необычной структурой, не является нормой в таких галактиках. Вероятность того, что две галактики указанных типов расположатся в такой конфигурации намного меньше чем вероятность того, что звезда Млечного Пути встанет на одной линии с обычной галактикой. Арп нашел много других примеров, которые противоречат традиционному пониманию красного смещения. Здесь представлен один из наиболее спорных открытий. Квазар Makarian 205, вблизи спиральной галактики NGC 4319 визуально связан с галактикой посредством светящегося моста. Галактика имеет 11 красное смещение 1,800 километров в секунду, соответствующее расстоянию около 107 миллионам световых лет. Квазар имеет красное смещение 21,000 километров в секунду, который должен означать, что он находиться на расстоянии 1,24 миллиардов световых лет. Но Арп предположил, что эти объекты определенно связаны и это показывает, что стандартная интерпретация красного смещения ошибочна в этом случае. (Можно заметить, кстати, тот факт, что астрономы выражают красное смещение в километрах в секунду. Это показывает их приверженность к идее, которая объясняет красное смещение эффектом Доплера.) Критики заявили, что не нашли связующего моста, показанного в картине Арпа на фотографии галактики NGC 4319. Другие сообщили, что мост является "поддельным фотографическим эффектом". Но позднее Джек М.Сулентик из Алабамского университета сделал обширное фотометрическое исследование этих двух объектов и заключил, что связующий мост реален. Другим примером противоречивого красного смещения, замеченный Арпом, является находка в высшей степени необычной цепи галактик, называемой, Воронцов-Вельяминов 172, в честь русского первооткрывателя. В этой цепочке галактик меньший, более компактный член имеет красное смещение вдвое больше чем другие. Кроме пары галактик с противоречивыми красными смещениями, Арп обратил внимание на кое-что даже более страннее - оказывается, что квазары и галактики могут извергать другие квазары и галактики. Здесь приводятся несколько примеров: Взрывающаяся галактика NGC 520 имеет явно малое красное смещение. Четыре слабых квазара, расположены вдоль прямой линии, движущихся к юго-востоку от галактики. Арп доказал, что эти слабые квазары единственные в этом регионе. Может ли быть простой случайностью, что они выстроились почти в одну линию от галактики? Арп утверждал, что такой шанс крайне мал и предположил, что квазары извергаются из взрывающейся галактики. Достаточно интересно, что квазары имеют красное смещение намного больше, чем галактика, которая, кажется, является их родителем. Примечательно, что согласно стандартной теории красного смещения, квазары должны быть намного дальше, чем галактика. Арп интерпретирует этот и другие сходные примеры, предполагая, что только что извергнутые квазары рождаются с большими красным смещениями, и постепенно, их красные смещения уменьшаются с течением времени. Некоторые ученые задают вопрос, реально ли для галактики извергать другие массивные объекты, такие как, галактики или квазары. В ответ Арп указывает на поразительную фотографию гигантской галактики М87, извергающую струю материи. Когда мы рассматриваем эллиптические галактики в регионе вокруг галактики М87 (тоже эллиптического типа), мы видим, что они все падают в направлении извергаемой струи материи. Астрономы предполагают, как и Арп, что эти галактики извергнуты из М87. 12 Как может одна галактика испускать другую галактику? Если галактика является "островной вселенной", состоящей из обширного агрегата звезд и газа, как она может испускать другую галактику, являющейся таким же агрегатом из звезд и газа? Вполне вероятно, что радиоастрономия может дать ключ. В последнее время радиоастрономы уверяют, что обширные области радиоэмиссии могут быть извергнуты из галактик. Эти эмиссионные области существуют в парах с каждой стороны некоторых галактик. Для объяснения этого, астрономы постулируют существованье гигантских вращающихся черных дыр в центре галактики, которые пожирают ближайшие звезды и выплевывают материю в обоих направлениях вдоль оси вращения. Тем не менее, если анализ Арпа верен, он не только объясняет области эмиссионного излучения, которые могут состоять из тонкого газа, но и такой факт, что внутренность галактики или предшественники галактик могут вылетать. Возвращаясь к красным смещениям таких вылетающих галактик и квазаров, Арп нашел следующее: Извергнутые объекты обладают намного большим красным смещением, чем их родитель, хотя и находятся в непосредственной близости от него. Арп объясняет это только тем, что их красные смещения не вызваны эффектом Доплера. Так что астрономы измеряют не скорость, с которым объект удаляется. Скорее всего, красное смещение связано с реальным физическим состоянием объекта. Однако настоящие законы физики не дают ответ на вопрос, что за состояние это может быть. До сих пор думают, что галактика состоит из отдельных звезд плюс облаков газа и пыли. Какие же качества она может иметь, чтобы в результате получить красное смещение, вызванное не эффектом Доплера или гравитацией? Это не может быть объяснено в терминах известных физических законов. Конечно, находки Арпа очень спорны, и многие астрономы сомневаются, что такая связь между галактиками и квазарами может быть действительно реальна. Но это всего лишь одна линия доказательства, предполагающая, что стандартная интерпретация красного смещения галактик может быть изменена. Вывод Гипотеза Большого взрыва по-прежнему остается не доказанным предположением (или просто говоря - является сказкой), а идея Стационарной Вселенной нуждается в дальнейшем исследовании. Какая теория возникнет потом - время покажет. Вселенная не так пуста, как кажется. В ней идут процессы преобразования и переноса энергии (в том числе и теми же нейтрино - не видимыми переносчиками энергии) и физике 13 предстоит понять, описать и объяснить все это, а не выдумывать всякие правдоподобные математические сказки. Сейчас физика не может однозначно сказать, каков реальный возраст Вселенной и можно ли его как-то измерить. Но теперь совершенно ясно, что 13,7 млрд. лет назад вселенная была, в ней были галактики со звездами, у звезд были планеты, на части планет была жизнь, на некоторых разумная и тогда мыслящие существа тоже задавались вопросом каков реальный возраст. 14

Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» - очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» - тот же мир, но с точки зрения его структуры - как упорядоченную систему галактик.

В классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.

В данной контрольной работе будут рассмотрены основные космологические модели Вселенной.

1.1 Современные космологические модели Вселенной: модель Энштейна А., модель А.А. Фридмана

Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами.

Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана самим А. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответствии с космологической моделью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием.

Время существования Вселенной бесконечно, т. е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве.

В 1922 г. русский математик и геофизик А. А Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решение уравнения Эйнштейна, описывающее Вселенную с «расширяющимся» пространством.

Отношение средней плотности вселенной критической обозначается

Существуют три космологические модели, зависящие от , по имени их создателя названные фридмановскими. В этих моделях не учитывается энергия вакуума (космологическая постоянная).

I Фридмановская модель, . Расширение вселенной будет вечным, причём скорости галактик никогда не будут стремиться к нулю. Пространство в такой модели - бесконечное, имеет отрицательную кривизну, описывается геометрией Лобачевского . Через каждую точку такого пространства можно провести бесконечное множество прямых, параллельных данной, сумма углов треугольника меньше 180°, отношение длины окружности к радиусу больше 2π.

II Фридмановская модель, . Расширение вселенной будет вечным, но в бесконечности его скорость будет стремиться к нулю. Пространство в такой модели - бесконечное, плоское, описывается геометрией Евклида .

III Фридмановская модель, . Расширение вселенной сменится сжатием, коллапсом и закончится тем, что вселенная сожмётся в сингулярную точку (Большой Хруст). Пространство в такой модели - конечное, имеет положительную кривизну, по форме представляет собой трёхмерную гиперсферу, описывается сферической геометрией Римана. В таком пространстве нет параллельных прямых, сумма углов треугольника больше 180°, отношение длины окружности к радиусу меньше 2π. Полная суммарная масса такой вселенной равна нулю.

По современным данным .

1.2 Альтернативные космологические модели Вселенной

Кроме стандартной модели Большого взрыва, в принципе существуют и альтернативные космологические модели:

1. Модель, симметричная относительно материи и антиматерии, предполагает равное присутствие этих двух видов вещества во Вселенной. Хотя очевидно, что наша Галактика практически не содержит антивещества, соседние звездные системы вполне могли бы целиком состоять из него; при этом их излучение было бы точно таким же, как у нормальных галактик. Однако в более ранние эпохи расширения, когда вещество и антивещество были в более тесном контакте, их аннигиляция должна была рождать мощное гамма-излучение. Наблюдения его не обнаруживают, что делает симметричную модель маловероятной.

2. В модели Холодного Большого взрыва предполагается, что расширение началось при температуре абсолютного нуля. Правда, и в этом случае ядерный синтез должен происходить и разогревать вещество, но микроволновое фоновое излучение уже нельзя прямо связывать с Большим взрывом, а нужно объяснять как-то иначе. Эта теория привлекательна тем, что вещество в ней подвержено фрагментации, а это необходимо для объяснения крупномасштабной неоднородности Вселенной.

3. Стационарная космологическая модель предполагает непрерывное рождение вещества. Основное положение этой теории, известное как Идеальный космологический принцип, утверждает, что Вселенная всегда была и останется такой, как сейчас. Наблюдения опровергают это.

4. Рассматриваются измененные варианты эйнштейновской теории гравитации. Например, теория К.Бранса и Р.Дикке из Принстона в общем согласуется с наблюдениями в пределах Солнечной системы. Модель Бранса – Дикке, а также более радикальная модель Ф.Хойла, в которой некоторые фундаментальные постоянные изменяются со временем, имеют почти такие же космологические параметры в нашу эпоху, как и модель Большого взрыва.

5. В 1927 г. бельгийский аббат и ученый Ж. Леметр связал «расширение» пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятие начала Вселенной как сингулярности (т. е. сверхплотного состояния) и рождения Вселенной как Большого взрыва. На основе модифицированной эйнштейновской теории Ж.Леметр в 1925 построил космологическую модель, объединяющую Большой взрыв с длительной фазой спокойного состояния, в течение которой могли формироваться галактики. Эйнштейн заинтересовался этой возможностью, чтобы обосновать свою любимую космологическую модель статической Вселенной, но когда было открыто расширение Вселенной, он публично отказался от нее.

ΛCDM (читается «Лямбда-СиДиЭм») - сокращение от Lambda-Cold Dark Matter, современная стандартная космологическая модель, в которой пространственно-плоская Вселенная заполнена, помимо обычной барионной материи, тёмной энергией (описываемой космологической постоянной Λ вуравнениях Эйнштейна) и холодной тёмной материей (англ. Cold Dark Matter). Согласно этой модели возраст Вселенной равен миллиардов лет.

Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной неизвестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этих пространств Вселенной мы живем.

В 1929 году американский астроном Э. П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, - система галактик расширяется.

Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10-12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла 1096 г/см3. В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва.

Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13-20 млрд. лет. Г. А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюцию Вселенной делят на «эры»

При оценке грандиозности масштабов Вселенной всегда возникает классический философский вопрос: конечна или бесконечна Вселенная? Понятием бесконечности оперируют в основном математики и философы. Физики-экспериментаторы, владеющие экспериментальными методами и техникой измерений, получают всегда конечные значения измеренных величин. Огромное значение науки и в особенности современной физики заключается в том, что к настоящему времени уже получены многие количественные характеристики объектов не только макро- и микромира, но и мегамира.

Пространственные масштабы нашей Вселенной и размеры основных материальных образований, в том числе и микрообъектов, можно представить из следующей таблицы, где размеры даны в метрах (для простоты приведены лишь порядки чисел, т. е. приближенные числа в пределах одного порядка):

Радиус космологического горизонта

или видимой нами Вселенной 10 26

Диаметр нашей Галактики 10 21

Расстояние от Земли до Солнца 10 11

Диаметр Солнца 10 9

Размер человека 10 0

Длина волн видимого света 10 -6 — 10 -8

Размер вирусов 10 -6 -10 -8

Диаметр атома водорода 10 -10

Диаметр атомного ядра 10 -15

Минимальное расстояние,

доступное сегодня нашим измерениям 10 -18

Из этих данных видно, что отношение самого большого к самому малого размеру, доступному сегодняшнему эксперименту, составляет 44 порядка. С развитием науки данное отношение постоянно возрастало и будет возрастать по мере накопления новых знаний об окружающем нас мире. Ведь «мир наш - только школа, где мы учимся познавать», - так сказал французский философ-гуманист Мишель Монтень (1533- 1592).

Вселенной на самых разных уровнях, от условно элементарных частиц и до гигантских сверхскоплений галактик, присуща структурность. Современная структура Вселенной является результатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд – звезды, из протопланетного облака – планеты.

1.3 Модель горячего взрыва

Согласно космологической модели Фридмана — Леметра, Вселенная возникла в момент Большого взрыва — около 20 млрд. лет назад, и ее расширение продолжается до сих пор, постепенно замедляясь. В первое мгновение взрыва материя Вселенной имела бесконечные плотность и температуру; такое состояние называют сингулярностью. Согласно общей теории относительности, гравитация не является реальной силой, а есть искривление пространства-времени: чем больше плотность материи, тем сильнее искривление. В момент начальной сингулярности искривление тоже было бесконечным. Можно выразить бесконечную кривизну пространства-времени другими словами, сказав, что в начальный момент материя и пространство одновременно взорвались везде во Вселенной. По мере увеличения объема пространства расширяющейся Вселенной плотность материи в ней падает.

С.Хокинг и Р.Пенроуз доказали, что в прошлом непременно было сингулярное состояние, если общая теория относительности применима для описания физических процессов в очень ранней Вселенной. Чтобы избежать катастрофической сингулярности в прошлом, требуется существенно изменить физику, например, предположив возможность самопроизвольного непрерывного рождения материи, как в теории стационарной Вселенной. Но астрономические наблюдения не дают для этого никаких оснований. Чем более ранние события мы рассматриваем, тем меньше был их пространственный масштаб; по мере приближения к началу расширения горизонт наблюдателя сжимается (рис. 1).

Рис. 1. Иллюстрация моделей большого взрыва

В самые первые мгновения масштаб так мал, что мы уже не в праве 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 честь отца квантовой теории). В тот момент плотность материи достигала невероятного значения 1090 кг/см 3 , которое нельзя сравнить не только с плотностью окружающих нас тел (менее 10 г/см 3), но даже с плотностью атомного ядра (около 1012 кг/см 3) — наибольшей плотностью, доступной в лаборатории. Поэтому для современной физики началом расширения Вселенной служит планковское время.

Модели большого взрыва представлены тремя важнейшими типами: стандартной открытой моделью, стандартной замкнутой и моделью Леметра. По горизонтали отложено время, по вертикали — расстояние между любыми двумя достаточно удаленными друг от друга (чтобы исключить их взаимодействие) галактиками. Кружком отмечена наша эпоха. Если бы Вселенная всегда расширялась с нынешней скоростью, выраженной постоянной Хаббла Н, то это началось бы около 20 млрд. лет назад и происходило так, как показано диагональным пунктиром. Если расширение замедляется, как в открытой модели пространственно безграничного мира или в замкнутой модели ограниченного мира, то возраст Вселенной меньше, чем 1/Н. Наименьший возраст у замкнутой модели, расширение которой быстро замедляется и сменяется сжатием. Модель Леметра описывает Вселенную, возраст которой значительно больше, чем 1/Н, поскольку в ее истории есть длительный период, когда расширения почти не происходило. Модель Леметра и открытая модель описывают Вселенную, которая всегда будет расширяться.

Вот при таких условиях немыслимо высокой температуры и плотности состоялось рождение Вселенной. Причем это могло быть рождением в прямом смысле: некоторые космологи (скажем, Я.Б.Зельдович в СССР и Л.Паркер в США) считали, что частицы и гамма-фотоны были рождены в ту эпоху гравитационным полем. С точки зрения физики, этот процесс мог состояться, если сингулярность была анизотропной, т.е. гравитационное поле было неоднородным. В этом случае приливные гравитационные силы могли «вытащить» из вакуума реальные частицы, создав, таким образом, вещество Вселенной. Изучая процессы, происходившие сразу после Большого взрыва, мы понимаем, что наши физические теории еще весьма несовершенны. Тепловая эволюция ранней Вселенной зависит от рождения массивных элементарных частиц — адронов, о которых ядерная физика знает еще мало. Многие из этих частиц нестабильны и короткоживущие.

Швейцарский физик Р.Хагедорн считает, что может существовать великое множество адронов возрастающих масс, которые в изобилии могли формироваться при температуре порядка 10 12 К, когда гигантская плотность излучения приводила к рождению адронных пар, состоящих из частицы и античастицы. Этот процесс должен был бы ограничить рост температуры в прошлом. Согласно другой точке зрения, количество типов массивных элементарных частиц ограничено, поэтому температура и плотность в период адронной эры должны были достигать бесконечных значений. В принципе это можно было бы проверить: если бы составляющие адронов — кварки — были стабильными частицами, то некоторое количество кварков и антикварков должно было сохраниться от той горячей эпохи. Но поиск кварков оказался тщетным; скорее всего, они нестабильны.

После первой миллисекунды расширения Вселенной сильное (ядерное) взаимодействие перестало играть в ней определяющую роль: температура снизилась настолько, что атомные ядра перестали разрушаться. Дальнейшие физические процессы определялись слабым взаимодействием, ответственным за рождение легких частиц — лептонов (т.е. электронов, позитронов, мезонов и нейтрино) под действием теплового излучения. Когда в ходе расширения температура излучения понизилась примерно до 10 10 К, лептонные пары перестали рождаться, почти все позитроны и электроны аннигилировали; остались лишь нейтрино и антинейтрино, фотоны и немного сохранившихся с предшествующей эпохи протонов и нейтронов. Так завершилась лептонная эра. Следующая фаза расширения — фотонная эра — характеризуется абсолютным преобладанием теплового излучения. На каждый сохранившийся протон или электрон приходится по миллиарду фотонов. Вначале это были гамма-кванты, но по мере расширения Вселенной они теряли энергию и становились рентгеновскими, ультрафиолетовыми, оптическими, инфракрасными и, наконец, сейчас стали радиоквантами, которые мы принимаем как чернотельное фоновое (реликтовое) радиоизлучение.

1.4 Нерешенные проблемы космологии Большого взрыва

Можно отметить 4 проблемы, стоящие сейчас перед космологической моделью Большого взрыва.

1. Проблема сингулярности: многие сомневаются в применимости общей теории относительности, дающей сингулярность в прошлом. Предлагаются альтернативные космологические теории, свободные от сингулярности.

2. Тесно связана с сингулярностью проблема изотропности Вселенной. Кажется странным, что начавшееся с сингулярного состояния расширение оказалось столь изотропным. Не исключено, правда, что анизотропное вначале расширение постепенно стало изотропным под действием диссипативных сил.

3. Однородная на самых больших масштабах, на меньших масштабах Вселенная весьма неоднородна (галактики, скопления галактик). Трудно понять, как одна лишь гравитация могла привести к появлению такой структуры. Поэтому космологи изучают возможности неоднородных моделей Большого взрыва.

4. Наконец, можно спросить, каково будущее Вселенной? Для ответа необходимо знать среднюю плотность материи во Вселенной. Если она превосходит некоторое критическое значение, то геометрия пространства-времени замкнутая, и в будущем Вселенная непременно сожмется. Замкнутая Вселенная не имеет границ, но ее объем конечен. Если плотность ниже критической, то Вселенная открыта и будет расширяться вечно. Открытая Вселенная бесконечна и имеет только одну сингулярность вначале. Пока наблюдения лучше согласуются с моделью открытой Вселенной. Происхождение крупномасштабной структуры. У космологов на эту проблему есть две противоположные точки зрения. Самая радикальная состоит в том, что вначале был хаос. Расширение ранней Вселенной происходило крайне анизотропно и неоднородно, но затем диссипативные процессы сгладили анизотропию и приблизили расширение к модели Фридмана — Леметра. Судьба неоднородностей весьма любопытна: если их амплитуда была большой, то неизбежно они должны были коллапсировать в черные дыры с массой, определяемой текущим горизонтом. Их формирование могло начаться прямо с планковского времени, так что во Вселенной могло быть множество мелких черных дыр с массами до 10-5 г. Однако С.Хокинг показал, что «мини-дыры» должны, излучая, терять свою массу, и до нашей эпохи могли сохраниться только черные дыры с массами более 10 16 г, что соответствует массе небольшой горы.

Первичный хаос мог содержать возмущения любого масштаба и амплитуды; наиболее крупные из них в виде звуковых волн могли сохраниться от эпохи ранней Вселенной до эры излучения, когда вещество было еще достаточно горячим, чтобы испускать, поглощать и рассеивать излучение. Но с окончанием этой эры остывшая плазма рекомбинировала и перестала взаимодействовать с излучением. Давление и скорость звука в газе упали, вследствие чего звуковые волны превратились в ударные волны, сжимающие газ и заставляющие его коллапсировать в галактики и их скопления. В зависимости от типа исходных волн расчеты предсказывают весьма различную картину, далеко не всегда соответствующую наблюдаемой. Для выбора между возможными вариантами космологических моделей важной является одна философская идея, известная как антропный принцип: с самого начала Вселенная должна была иметь такие свойства, которые позволили сформироваться в ней галактикам, звездам, планетам и разумной жизни на них. Иначе некому было бы заниматься космологией. Альтернативная точка зрения состоит в том, что об исходной структуре Вселенной можно узнать не более того, что дают наблюдения. Согласно этому консервативному подходу, нельзя считать юную Вселенную хаотической, поскольку сейчас она весьма изотропна и однородна. Те отклонения от однородности, которые мы наблюдаем в виде галактик, могли вырасти под действием гравитации из небольших начальных неоднородностей плотности. Однако исследования крупномасштабного распределения галактик (в основном проведенные Дж.Пиблсом в Принстоне), кажется, не подтверждают эту идею. Другая интересная возможность состоит в том, что скопления черных дыр, родившихся в адронную эру, могли стать исходными флуктуациями для формирования галактик. Открыта или замкнута Вселенная? Ближайшие галактики удаляются от нас со скоростью, пропорциональной расстоянию; но более далекие не подчиняются этой зависимости: их движение указывает, что расширение Вселенной со временем замедляется. В замкнутой модели Вселенной под действием тяготения расширение в определенный момент останавливается и сменяется сжатием (рис. 2), но наблюдения показывают, что замедление галактик происходит все же не так быстро, чтобы когда-либо произошла полная остановка.

Горизонтальные линии отмечают характерные моменты эволюции, а отсеченные ими треугольники показывают область Вселенной, доступную наблюдателю в этот момент. Чем больше времени прошло от начала расширения, тем большая область становится доступной для наблюдения. В настоящее время свет приходит к нам от звезд, квазаров и скоплений галактик, удаленных на миллиарды световых лет, но в ранние эпохи наблюдатель мог видеть гораздо меньшую область Вселенной. В различные эпохи доминировали разные формы материи: хотя доминирует вещество атомных ядер (нуклонов), до этого, когда Вселенная была горячей, доминировало излучение (фотоны), а еще раньше — легкие элементарные частицы (лептоны) и тяжелые (адроны).

Рисунок 2 – Стандартная модель большого взрыва: время отложено по вертикали, а расстояния — по горизонтали.

Чтобы Вселенная была замкнута, средняя плотность материи в ней должна превышать определенное критическое значение. Оценка плотности видимого и невидимого вещества весьма близка к этому значению. Распределение галактик в пространстве весьма неоднородно. Наша Местная группа галактик, включающая Млечный Путь, Туманность Андромеды и несколько галактик поменьше, лежит на периферии огромной системы галактик, известной как Сверхскопление в Деве (Virgo), центр которого совпадает со скоплением галактик Virgo. Если средняя плотность мира велика и Вселенная замкнута, то должно было бы наблюдаться сильное отклонение от изотропного расширения, вызванное притяжением нашей и соседних галактик к центру Сверхскопления. В открытой Вселенной это отклонение незначительно. Наблюдения скорее согласуются с открытой моделью. Большой интерес космологов вызывает содержание в космическом веществе тяжелого изотопа водорода — дейтерия, который образовался в ходе ядерных реакций в первые мгновения после Большого взрыва. Содержание дейтерия оказалось чрезвычайно чувствительно к плотности вещества в ту эпоху, а следовательно, и в нашу. Однако «дейтериевый тест» осуществить нелегко, ибо нужно исследовать первичное вещество, не побывавшее с момента космологического синтеза в недрах звезд, где дейтерий легко сгорает. Изучение предельно далеких галактик показало, что содержание дейтерия соответствует низкой плотности материи и, следовательно, открытой модели Вселенной.

Заключение

Космологические модели приводят к выводу, что судьба расширяющейся Вселенной зависит только от средней плотности заполняющего её вещества и от значения постоянной Хаббла. Если средняя плотность равна или ниже некоторой критической плотности, расширение Вселенной будет продолжаться вечно. Если же плотность окажется выше критической, то расширение рано или поздно остановится и сменится сжатием.

В этом случае Вселенная сузится до размеров, которые у неё были предположительно при возникновении, уступив место явлению, названному Большим сжатием.

Перечислим основные модели Вселенной: Модель де Ситтера: модель расширяющейся Вселенной, предложенная в 1917 г., в которой не существует вещества или излучения. Эта нереалистичная гипотеза имела, тем не менее, исторически важное значение, поскольку в ней впервые выдвигалась идея о расширяющейся, а не статичной Вселенной; Модель Леметра: Модель вселенной, которая начинается с Большого взрыва, сменяющегося затем статической фазой и последующим бесконечным расширением. Модель названа по имени Дж. Леметра (1894-1966),

Модель расширяющейся Вселенной без использования общей теории относительности, предложенная в 1948 г. Эдвардом Милном (Edward Milne). Это расширяющаяся, изотропная и однородная Вселенная. не содержащая вещества. Она имеет отрицательную кривизну и незамкнута.

Модель Фридмана: Модель Вселенной, которая может коллапсировать внутрь себя. В 1922 г. советский математик А. А. Фридман (Alexander Friedmann, 1888-1925), анализируя уравнения общей теории относительности

Вселенная Фридмана может быть замкнутой, если плотность вещества в ней достаточно велика, чтобы остановить расширение. Этот факт привёл к поиску так называемой недостающей массы. В дальнейшем выводы Фридмана получили подтверждение в астрономических наблюдениях, обнаруживших в спектрах галактик так называемое красное смещение спектральных линий, что соответствует взаимному удалению этих звездных систем.

Модель Эйнштейна-де Ситтера: Самая простая из современных космологических моделей, в которой Вселенная имеет нулевое давление, нулевую кривизну (т.е. плоскую геометрию) и бесконечную протяженность, а ее расширение не ограничено в пространстве и во времени. Предложенная в 1932 г., эта модель является частным случаем (при нулевой кривизне) более общей вселенной Фридмана.

2. В чем суть процессов самоорганизации в живой и неживой природе?

Все объекты живой и неживой природы можно представить в виде определенных систем, обладающих конкретными особенностями и свойствами, характеризующими их уровень организации. С учетом уровня организации можно рассматривать иерархию структур организации материальных объектов живой и неживой природы. Такая иерархия структур начинается с элементарных частиц, представляющих собой первоначальный уровень организации материи, и заканчивается живыми организациями и сообществами - высшими уровнями организации.

В настоящее время в области фундаментальной теоретической физики разрабатываются концепции, согласно которым объективно существующий мир не исчерпывается материальным миром, воспринимаемым нашими органами чувств или физическими приборами. Авторы данных концепций пришли к следующему выводу: наряду с материальным миром существует реальность высшего порядка, обладающая принципиально иной природой по сравнению с реальностью материального мира.

Изучение материи и её структурных уровней является необходимым условием формирования мировоззрения, независимо от того, окажется ли оно в конечном счёте материалистическим или идеалистическим.

Достаточно очевидно, что очень важна роль определения понятия материи, понимания последней как неисчерпаемой для построения научной картины мира, решения проблемы реальности и познаваемости объектов и явлений микро, макро и мега миров.

Под организацией системы будем понимать изменение структуры системы, которое обеспечивает согласованное поведение, или функционирование системы, которое определяется внешними условиями.

Если под изменением организованности понимать изменение способа соединения (или связи) подсистем, образующих систему, то явление самоорганизации можно определить как такое неизбежное изменение системы и ее функций, которое происходит вне каких-либо дополнительных влияний, вследствие взаимодействия системы с условиями существования и приближается к некоторому относительно устойчивому состоянию.

Под самоорганизацией будем понимать изменение структуры, обеспечивающее согласованность поведения благодаря наличию внутренних связей и связей с внешней средой.

Самоорганизация – это естественнонаучное выражение процесса самодвижения материи. Способностью к самоорганизации обладают системы живой и неживой природы, а также искусственные системы. Конкретная конфигурация структуры существует только в строго определенных условиях и в определенный момент «движения» сложной системы. Динамика развития систем приводит к последовательному изменению их структур.

Закономерное изменение структуры системы соответственно историческим изменениям соотношений с внешней средой и называется эволюцией.
Изменение структуры сложной системы в процессе ее взаимодействия с окружающей средой — это проявление свойства открытости как роста возможностей выхода к новому. С другой стороны, изменение структуры сложной системы обеспечивает расширение жизненных условий, связанное с усложнением организации и повышением жизнедеятельности, т.е. приобретением приспособлений более общего значения, позволяющих установить связи с новыми сторонами внешней среды.

Самоорганизация характеризуется возникновением внутренне согласованного функционирования за счет внутренних связей и связей с внешней средой. Причем понятия функция и структура системы тесно взаимосвязаны; система организуется, т.е. изменяет структуру ради выполнения функции.

Структурность и системная организация материи относятся к числу ее важнейших атрибутов, выражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется.

Под структурой материи обычно понимают ее строение в макромире, т.е. существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т.д. Это связано с тем, что человек является макроскопическим существом и для него привычными являются макроскопические масштабы, поэтому понятие структуры ассоциируется обычно с различными микрообъектами.

Но если рассматривать материю в целом, то понятие структуры материи будет охватывать также макроскопические тела, все космические системы мегамира, причем в любых сколь угодно больших пространственно-временных масштабах. С этой точки зрения, понятие «структура» проявляется в том, что она существует в виде бесконечного многообразия целостных систем, тесно взаимосвязанных между собой, а также в упорядоченности строения каждой системы. Такая структура бесконечна в количественном и качественном отношениях.

Проявлениями структурной бесконечности материи выступают:

– неисчерпаемость объектов и процессов микромира;

– бесконечность пространства и времени;

– бесконечность изменений и развития процессов.

Из всего многообразия форм объективной реальности эмпирически доступной всегда остается лишь конечная область материального мира, которая ныне простирается в масштабах от 10 -15 до 10 28 см, а во времени - до 2×10 9 лет.

Структурность и системная организация материи относятся к числу важнейших ее атрибутов. Они выражают упорядоченность существования материи и те ее конкретные формы, в которых она проявляется.

Материальный мир един: мы подразумеваем, что все его части - от неодушевленных предметов до живых существ, от небесных тел до человека как члена общества - так или иначе связаны.

Системой является то, что определенным образом связано между собой и подчинено соответствующим законам.

Системы бывают объективно существующие и теоретические, или концептуальные, т.е. существующие лишь в сознании человека.

Система - это внутреннее или внешнее упорядоченное множество взаимосвязанных и взаимодействующих элементов.

Упорядоченность множества подразумевает наличие закономерных отношений между элементами системы, которое проявляется в виде законов структурной организации. Внутренняя упорядоченность имеется у всех природных систем, возникающих в результате взаимодействия тел и естественного саморазвития материи. Внешняя характерна для созданных человеком искусственных систем: технических, производственных, концептуальных и т.п.

Структурные уровни материи образованы из определенного множества объектов какого-либо класса и характеризуются особым типом взаимодействия между составляющими их элементами.

Критерием для выделения различных структурных уровней служат следующие признаки:

– пространственно-временные масштабы;

– совокупность важнейших свойств;

– специфические законы движения;

– степень относительной сложности, возникающей в процессе исторического развития материи в данной области мира;

– некоторые другие признаки.

Известные в настоящее время структурные уровни материи могут быть выделены по вышеперечисленным признакам в следующие области.

1. Микромир. Сюда относятся:

– частицы элементарные и ядра атомов - область порядка 10 – 15 см;

– атомы и молекулы 10 –8 -10 –7 см.

Микромир – это молекулы, атомы, элементарные частицы - мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10 -8 до 10 -16 см, а время жизни - от бесконечности до 10 -24 с.

2. Макромир: макроскопические тела 10 –6 -10 7 см.

Макромир - мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин, а также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов; мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах, годах.

Мегамир - это планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет.

И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро - и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.

3. Мегамир: космические системы и неограниченные масштабы до 1028 см.

Разные уровни материи характеризуются разными типами связей.

В масштабах 10–13 см - сильные взаимодействия, целостность ядра обеспечивается ядерными силами.


Целостность атомов, молекул, макротел обеспечивают электромагнитные силы.


1. В космических масштабах - гравитационные силы.
   

   С увеличением размеров объектов уменьшается энергия взаимодействия. Если принять энергию гравитационного взаимодействия за единицу, то электромагнитное взаимодействие в атоме будет в 1039 больше, а взаимодействие между нуклонами - составляющими ядро частицами - в 1041 раз больше. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы.
   

   Деление материи на структурные уровни носит относительный характер. В доступных пространственно-временных масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимодействующих систем, начиная от элементарных частиц и кончая Метагалактикой.
   

   Говоря о структурности - внутренней расчлененности материального бытия, можно отметить, что сколь бы ни был широк диапазон мировидения науки, он тесно связан с обнаружением все новых и новых структурных образований. Например, если раньше взгляд на Вселенную замыкался Галактикой, затем расширился до системы галактик, то теперь изучается Метагалактика как особая система со специфическими законами, внутренними и внешними взаимодействиями.
   

   В современной науке широко используется метод структурного анализа, при котором учитывается системность исследуемых объектов. Ведь структурность - это внутренняя расчлененность материального бытия, способ существования материи. Структурные уровни материи образованы из определенного множества объектов какого-либо вида и характеризуются особым способом взаимодействия между составляющими их элементами, применительно к трем основным сферам объективной действительности эти уровни выглядят следующим образом (табл.).
   

   Таблица – Структурные уровни материи
   

   Неорганическая природа	Живая природа	Общество
   Субмикроэле-ментарный	Биологический макромолекулярный	Индивид
   Микроэлементарный	Клеточный	Семья
   Ядерный	Микроорганический	Коллективы
   Атомарный	Органы и ткани	Большие социальные группы (классы, нации)
   Молекулярный	Организм в целом	Государство (гражданское общество)
   Макроуровень	Популяции	Системы государств
   Мегауровень (планеты, звездно-планетные системы, галактики)	Биоценоз	Человечество в целом
   Мегауровень (метагалактики)	Биосфера	Ноосфера

   Каждая из сфер объективной действительности включает в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Внутри этих уровней доминирующими являются координационные отношения, а между уровнями - субординационные.
   

   Системное исследование материальных объектов предполагает не только установление способов описания отношений, связей и структуры множества элементов, но и выделение тех из них, которые являются системообразующими, т.е. обеспечивают обособленное функционирование и развитие системы. Системный подход к материальным образованиям предполагает возможность понимания рассматриваемой системы более высокого уровня. Для системы обычно характерна иерархичность строения, т.е. последовательное включение системы более низкого уровня в систему более высокого уровня.
   

   Таким образом, в структуру материи на уровне неживой природы (неорганической) входят элементарные частицы, атомы, молекулы (объекты микромира, макротела и объекты мегамира: планеты, галактики, системы метагалактик и т.д.). Метагалактику часто отождествляют со всей Вселенной, но Вселенная понимается в предельно широком смысле этого слова, она тождественна всему материальному миру и движущейся материи, которая может включать в себя множество метагалактик и других космических систем.
   

   Живая природа также структурирована. В ней выделены уровень биологический и уровень социальный. Биологический уровень включает подуровни:
   

   – макромолекул (нуклеиновые кислоты, ДНК, РНК, белки);
   

   – клеточный уровень;
   

   – микроорганический (одноклеточные организмы);
   

   – органов и тканей организма в целом;
   

   – популяционный;
   

   – биоценозный;
   

   – биосферный.
   

   Основными понятиями данного уровня на последних трех подуровнях являются понятия биотоп, биоценоз, биосфера, требующие пояснения.
   

   Биотоп - совокупность (сообщество) особей одного и того же вида (например, стая волков), которые могут скрещиваться и воспроизводить себе подобных (популяции).
   

   Биоценоз - совокупность популяций организмов, при которых продукты жизнедеятельности одних являются условиями существования других организмов, населяющих участок суши или воды.
   

   Биосфера – глобальная система жизни, та часть географической среды (нижняя часть атмосферы, верхняя часть литосферы и гидросферы), которая является средой обитания живых организмов, обеспечивая необходимые для их выживания условия (температуру, почву и т.п.), образованная в результате взаимодействия биоценозов.
   

   Общая основа жизни на биологическом уровне - органический метаболизм (обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой) - проявляется на любом из выделенных подуровней:
   

   – на уровне организмов обмен веществ означает ассимиляцию и диссимиляцию при посредстве внутриклеточных превращений;
   

   – на уровне экосистем (биоценоза) он состоит из цепи превращений вещества, первоначально ассимилированного организмами-производителями при посредстве организмов-потребителей и организмов-разрушителей, относящихся к разным видам;
   

   – на уровне биосферы происходит глобальный круговорот вещества и энергии при непосредственном участи факторов космического масштаба.
   

   На определенном этапе развития биосферы возникают особые популяции живых существ, которые, благодаря своей способности к труду образовали своеобразный уровень - социальный. Социальная действительность в структурном аспекте разделяется на подуровни: индивидов, семьи, различных коллективов (производственных), социальных групп и т.д.
   

   Структурный уровень социальной деятельности находится в неоднозначно-линейных связях между собой (например, уровень наций и уровень государств). Переплетение разных уровней в рамках общества порождает представление о господстве случайности и хаотичности в социальной деятельности. Но внимательный анализ обнаруживает наличие в нем фундаментальных структур - главных сфер общественной жизни, которыми являются материально-производственная, социальная, политическая, духовная сферы, имеющие свои законы и структуры. Все они в определенном смысле субординированы в составе общественно-экономической формации, глубоко структурированы и обуславливают генетическое единство общественного развития в целом.
   

   Таким образом, любая из трех областей материальной действительности образуется из ряда специфических структурных уровней, которые находятся в строгой упорядоченности в составе той или иной области действительности.
   

   Переход от одной области к другой связан с усложнением и увеличением множества образованных факторов, обеспечивающих целостность систем. Внутри каждого из структурных уровней существуют отношения субординации (молекулярный уровень включает атомарный, а не наоборот). Закономерности новых уровней несводимы к закономерностям уровней, на базе которых они возникли, и являются ведущими для данного уровня организации материи. Структурная организация, т.е. системность, является способом существования материи.
   

   КОСМОЛОГИЯ – раздел астрономии и астрофизики, изучающий происхождение, крупномасштабную структуру и эволюцию Вселенной. Данные для космологии в основном получают из астрономических наблюдений. Для их интерпретации в настоящее время используется общая теория относительности А.Эйнштейна (1915). Создание этой теории и проведение соответствующих наблюдений позволило в начале 1920-х годов поставить космологию в ряд точных наук, тогда как до этого она скорее была областью философии. Сейчас сложились две космологические школы: эмпирики ограничиваются интерпретацией наблюдательных данных, не экстраполируя свои модели в неизученные области; теоретики пытаются объяснить наблюдаемую Вселенную, используя некоторые гипотезы, отобранные по принципу простоты и элегантности. Широкой известностью пользуется сейчас космологическая модель Большого взрыва, согласно которой расширение Вселенной началось некоторое время тому назад из очень плотного и горячего состояния; обсуждается и стационарная модель Вселенной, в которой она существует вечно и не имеет ни начала, ни конца. КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

   Под космологическими данными понимают результаты экспериментов и наблюдений, имеющие отношение к Вселенной в целом в широком диапазоне пространства и времени. Любая мыслимая космологическая модель должна удовлетворять этим данным. Можно выделить 6 основных наблюдательных фактов, которые должна объяснить космология:

   1. В больших масштабах Вселенная однородна и изотропна, т.е. галактики и их скопления распределены в пространстве равномерно (однородно), а их движение хаотично и не имеет явно выделенного направления (изотропно). Принцип Коперника, «сдвинувшего Землю из центра мира», был обобщен астрономами на Солнечную систему и нашу Галактику, которые также оказались вполне рядовыми. Поэтому, исключая мелкие неоднородности в распределении галактик и их скоплений, астрономы считают Вселенную такой же однородной везде, как и вблизи нас.

   2. Вселенная расширяется. Галактики удаляются друг от друга.

   Это обнаружил американский астроном Э.Хаббл в 1929. Закон Хаббла гласит: чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Но это не означает, что мы находимся в центре Вселенной: в любой другой галактике наблюдатели видят то же самое. С помощью новых телескопов астрономы углубились во Вселенную значительно дальше, чем Хаббл, но его закон остался верен.

   3. Пространство вокруг Земли заполнено фоновым микроволновым

   радиоизлучением. Открытое в 1965, оно стало, наряду с галактиками, главным объектом космологии. Его важным свойством является высокая изотропность (независимость от направления), указывающая на его связь с далекими областями Вселенной и подтверждающая их высокую однородность. Если бы это было излучение нашей Галактики, то оно отражало бы ее структуру. Но эксперименты на баллонах и спутниках доказали, что это излучение в высшей степени однородно и имеет спектр излучения абсолютно черного тела с температурой около 3 К. Очевидно, это реликтовое излучение молодой и горячей Вселенной, сильно остывшее в результате ее расширения.

   4. Возраст Земли, метеоритов и самых старых звезд немногим

   меньше возраста Вселенной, вычисленного по скорости ее расширения. В соответствии с законом Хаббла Вселенная всюду расширяется с одинаковой скоростью, которую называют постоянной Хаббла Н . По ней можно оценить возраст Вселенной как 1/Н . Современные измерения Н приводят к возрасту Вселенной ок. 20 млрд. лет. Исследования продуктов радиоактивного распада в метеоритах дают возраст ок. 10 млрд. лет, а самые старые звезды имеют возраст ок. 15 млрд. лет. До 1950 расстояния до галактик недооценивались, что приводило к завышенному значению Н и малому возрасту Вселенной, меньшему возраста Земли. Чтобы разрешить это противоречие, Г.Бонди, Т.Голд и Ф.Хойл в 1948 предложили стационарную космологическую модель, в которой возраст Вселенной бесконечен, а по мере ее расширения рождается новое вещество.

   5. Во всей наблюдаемой Вселенной, от близких звезд до самых далеких галактик, на каждые 10 атомов водорода приходится 1 атом гелия. Кажется невероятным, чтобы всюду местные условия были столь одинаковы. Сильная сторона модели Большого взрыва как раз в том, что она предсказывает везде одинаковое соотношение между гелием и водородом.

   6. В областях Вселенной, удаленных от нас в пространстве и во времени, больше активных галактик и квазаров, чем рядом с нами. Это указывает на эволюцию Вселенной и противоречит теории стационарной Вселенной.

   КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ

   Любая космологическая модель Вселенной опирается на определенную теорию гравитации. Таких теорий много, но лишь некоторые из них удовлетворяют наблюдаемым явлениям. Теория тяготения Ньютона не удовлетворяет им даже в пределах Солнечной системы. Лучше всех согласуется с наблюдениями общая теория относительности Эйнштейна, на основе которой русский метеоролог А.Фридман в 1922 и бельгийский аббат и математик Ж.Леметр в 1927 математически описали расширение Вселенной. Из космологического принципа, постулирующего пространственную однородность и изотропность мира, они получили модель Большого взрыва. Их вывод подтвердился, когда Хаббл обнаружил связь между расстоянием и скоростью разбегания галактик. Второе важное предсказание этой модели, сделанное Г.Гамовым, касалось реликтового излучения, наблюдаемого сейчас как остаток эпохи Большого взрыва. Другие космологические модели не могут так же естественно объяснить это изотропное фоновое излучение. Горячий Большой взрыв. Согласно космологической модели Фридмана – Леметра, Вселенная возникла в момент Большого взрыва – ок. 20 млрд. лет назад, и ее расширение продолжается до сих пор, постепенно замедляясь. В первое мгновение взрыва материя Вселенной имела бесконечные плотность и температуру; такое состояние называют сингулярностью.

   Согласно общей теории относительности, гравитация не является реальной силой, а есть искривление пространства-времени: чем больше плотность материи, тем сильнее искривление. В момент начальной сингулярности искривление тоже было бесконечным. Можно выразить бесконечную кривизну пространства-времени другими словами, сказав, что в начальный момент материя и пространство одновременно взорвались везде во Вселенной. По мере увеличения объема пространства расширяющейся Вселенной плотность материи в ней падает. С.Хокинг и Р.Пенроуз доказали, что в прошлом непременно было сингулярное состояние, если общая теория относительности применима для описания физических процессов в очень ранней Вселенной.

   Чтобы избежать катастрофической сингулярности в прошлом, требуется существенно изменить физику, например, предположив возможность самопроизвольного непрерывного рождения материи, как в теории стационарной Вселенной. Но астрономические наблюдения не дают для этого никаких оснований.

   Чем более ранние события мы рассматриваем, тем меньше был их пространственный масштаб; по мере приближения к началу расширения горизонт наблюдателя сжимается (рис. 1). В самые первые мгновения масштаб так мал, что мы уже не в праве применять общую теорию относительности: для описания явлений в столь малых масштабах требуется квантовая механика (см . 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 честь отца квантовой теории). В тот момент плотность материи достигала невероятного значения 10 90 кг/см 3 , которое нельзя сравнить не только с плотностью окружающих нас тел (менее 10 г/см 3 ), но даже с плотностью атомного ядра (ок. 10 12 кг/см 3 ) – наибольшей плотностью, доступной в лаборатории. Поэтому для современной физики началом расширения Вселенной служит планковское время.

   Вот при таких условиях немыслимо высокой температуры и плотности состоялось рождение Вселенной. Причем это могло быть рождением в прямом смысле: некоторые космологи (скажем, Я.Б.Зельдович в СССР и Л.Паркер в США) считали, что частицы и гамма-фотоны были рождены в ту эпоху гравитационным полем. С точки зрения физики, этот процесс мог состояться, если сингулярность была анизотропной, т.е. гравитационное поле было неоднородным. В этом случае приливные гравитационные силы могли «вытащить» из вакуума реальные частицы, создав таким образом вещество Вселенной.

   Изучая процессы, происходившие сразу после Большого взрыва, мы понимаем, что наши физические теории еще весьма несовершенны. Тепловая эволюция ранней Вселенной зависит от рождения массивных элементарных частиц – адронов, о которых ядерная физика знает еще мало. Многие из этих частиц нестабильны и короткоживущи. Швейцарский физик Р.Хагедорн считает, что может существовать великое множество адронов возрастающих масс, которые в изобилии могли формироваться при температуре порядка 10

   12 К, когда гигантская плотность излучения приводила к рождению адронных пар, состоящих из частицы и античастицы. Этот процесс должен был бы ограничить рост температуры в прошлом.

   Согласно другой точке зрения, количество типов массивных элементарных частиц ограничено, поэтому температура и плотность в период адронной эры должны были достигать бесконечных значений. В принципе это можно было бы проверить: если бы составляющие адронов – кварки – были стабильными частицами, то некоторое количество кварков и антикварков должно было сохраниться от той горячей эпохи. Но поиск кварков оказался тщетным; скорее всего, они нестабильны. См . также ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ.

   После первой миллисекунды расширения Вселенной сильное (ядерное) взаимодействие перестало играть в ней определяющую роль: температура снизилась настолько, что атомные ядра перестали разрушаться. Дальнейшие физические процессы определялись слабым взаимодействием, ответственным за рождение легких частиц – лептонов (т.е. электронов, позитронов, мезонов и нейтрино) под действием теплового излучения. Когда в ходе расширения температура излучения понизилась примерно до 10

   10 К, лептонные пары перестали рождаться, почти все позитроны и электроны аннигилировали; остались лишь нейтрино и антинейтрино, фотоны и немного сохранившихся с предшествующей эпохи протонов и нейтронов. Так завершилась лептонная эра.

   Следующая фаза расширения – фотонная эра – характеризуется абсолютным преобладанием теплового излучения. На каждый сохранившийся протон или электрон приходится по миллиарду фотонов. Вначале это были гамма-кванты, но по мере расширения Вселенной они теряли энергию и становились рентгеновскими, ультрафиолетовыми, оптическими, инфракрасными и, наконец, сейчас стали радиоквантами, которые мы принимаем как чернотельное фоновое (реликтовое) радиоизлучение.

   Нерешенные проблемы космологии Большого взрыва. Можно отметить 4 проблемы, стоящие сейчас перед космологической моделью Большого взрыва.

   1. Проблема сингулярности: многие сомневаются в применимости общей теории относительности, дающей сингулярность в прошлом. Предлагаются альтернативные космологические теории, свободные от сингулярности.

   2. Тесно связана с сингулярностью проблема изотропности Вселенной. Кажется странным, что начавшееся с сингулярного состояния расширение оказалось столь изотропным. Не исключено, правда, что анизотропное вначале расширение постепенно стало изотропным под действием диссипативных сил.

   3. Однородная на самых больших масштабах, на меньших масштабах Вселенная весьма неоднородна (галактики, скопления галактик). Трудно понять, как одна лишь гравитация могла привести к появлению такой структуры. Поэтому космологи изучают возможности неоднородных моделей Большого взрыва.

   4. Наконец, можно спросить, каково будущее Вселенной? Для ответа необходимо знать среднюю плотность материи во Вселенной. Если она превосходит некоторое критическое значение, то геометрия пространства-времени замкнутая, и в будущем Вселенная непременно сожмется. Замкнутая Вселенная не имеет границ, но ее объем конечен. Если плотность ниже критической, то Вселенная открыта и будет расширяться вечно. Открытая Вселенная бесконечна и имеет только одну сингулярность вначале. Пока наблюдения лучше согласуются с моделью открытой Вселенной.

   Происхождение крупномасштабной структуры. У космологов на эту проблему есть две противоположные точки зрения.

   Самая радикальная состоит в том, что вначале был хаос. Расширение ранней Вселенной происходило крайне анизотропно и неоднородно, но затем диссипативные процессы сгладили анизотропию и приблизили расширение к модели Фридмана – Леметра. Судьба неоднородностей весьма любопытна: если их амплитуда была большой, то неизбежно они должны были коллапсировать в черные дыры с массой, определяемой текущим горизонтом. Их формирование могло начаться прямо с планковского времени, так что во Вселенной могло быть множество мелких черных дыр с массами до 10

   –5 г. Однако С.Хокинг показал, что «мини-дыры» должны, излучая, терять свою массу, и до нашей эпохи могли сохраниться только черные дыры с массами более 10 16 г, что соответствует массе небольшой горы. См . также ЧЕРНАЯ ДЫРА.

   Первичный хаос мог содержать возмущения любого масштаба и амплитуды; наиболее крупные из них в виде звуковых волн могли сохраниться от эпохи ранней Вселенной до эры излучения, когда вещество было еще достаточно горячим, чтобы испускать, поглощать и рассеивать излучение. Но с окончанием этой эры остывшая плазма рекомбинировала и перестала взаимодействовать с излучением. Давление и скорость звука в газе упали, вследствие чего звуковые волны превратились в ударные волны, сжимающие газ и заставляющие его коллапсировать в галактики и их скопления. В зависимости от типа исходных волн расчеты предсказывают весьма различную картину, далеко не всегда соответствующую наблюдаемой. Для выбора между возможными вариантами космологических моделей важной является одна философская идея, известная как антропный принцип: с самого начала Вселенная должна была иметь такие свойства, которые позволили сформироваться в ней галактикам, звездам, планетам и разумной жизни на них. Иначе некому было бы заниматься космологией.

   Альтернативная точка зрения состоит в том, что об исходной структуре Вселенной можно узнать не более того, что дают наблюдения. Согласно этому консервативному подходу, нельзя считать юную Вселенную хаотической, поскольку сейчас она весьма изотропна и однородна. Те отклонения от однородности, которые мы наблюдаем в виде галактик, могли вырасти под действием гравитации из небольших начальных неоднородностей плотности. Однако исследования крупномасштабного распределения галактик (в основном проведенные Дж.Пиблсом в Принстоне), кажется, не подтверждают эту идею. Другая интересная возможность состоит в том, что скопления черных дыр, родившихся в адронную эру, могли стать исходными флуктуациями для формирования галактик.

   Открыта или замкнута Вселенная? Ближайшие галактики удаляются от нас со скоростью, пропорциональной расстоянию; но более далекие не подчиняются этой зависимости: их движение указывает, что расширение Вселенной со временем замедляется. В замкнутой модели Вселенной под действием тяготения расширение в определенный момент останавливается и сменяется сжатием (рис. 2), но наблюдения показывают, что замедление галактик происходит все же не так быстро, чтобы когда-либо произошла полная остановка.

   Чтобы Вселенная была замкнута, средняя плотность материи в ней должна превышать определенное критическое значение. Оценка плотности видимого и невидимого вещества весьма близка к этому значению.

   Распределение галактик в пространстве весьма неоднородно. Наша Местная группа галактик, включающая Млечный Путь, Туманность Андромеды и несколько галактик поменьше, лежит на периферии огромной системы галактик, известной как Сверхскопление в Деве (Virgo), центр которого совпадает со скоплением галактик Virgo. Если средняя плотность мира велика и Вселенная замкнута, то должно было бы наблюдаться сильное отклонение от изотропного расширения, вызванное притяжением нашей и соседних галактик к центру Сверхскопления. В открытой Вселенной это отклонение незначительно. Наблюдения скорее согласуются с открытой моделью.

   Большой интерес космологов вызывает содержание в космическом веществе тяжелого изотопа водорода – дейтерия, который образовался в ходе ядерных реакций в первые мгновения после Большого взрыва. Содержание дейтерия оказалось чрезвычайно чувствительно к плотности вещества в ту эпоху, а следовательно, и в нашу. Однако «дейтериевый тест» осуществить нелегко, ибо нужно исследовать первичное вещество, не побывавшее с момента космологического синтеза в недрах звезд, где дейтерий легко сгорает. Изучение предельно далеких галактик показало, что содержание дейтерия соответствует низкой плотности материи и, следовательно, открытой модели Вселенной.

   Альтернативные космологические модели. Вообще говоря, в самом начале своего существования Вселенная могла быть весьма хаотична и неоднородна; следы этого мы, возможно, наблюдаем сегодня в крупномасштабном распределении вещества. Однако период хаоса не мог длиться долго. Высокая однородность космического фонового излучения свидетельствует, что Вселенная была очень однородна в возрасте 1 млн. лет. А расчеты космологического ядерного синтеза указывают, что если бы по истечении 1 с после начала расширения существовали большие отклонения от стандартной модели, то состав Вселенной был бы совсем иным, чем в действительности. Однако о том, что было в течение первой секунды, еще можно спорить. Кроме стандартной модели Большого взрыва, в принципе существуют и альтернативные космологические модели:

   1. Модель, симметричная относительно материи и антиматерии, предполагает равное присутствие этих двух видов вещества во Вселенной. Хотя очевидно, что наша Галактика практически не содержит антивещества, соседние звездные системы вполне могли бы целиком состоять из него; при этом их излучение было бы точно таким же, как у нормальных галактик. Однако в более ранние эпохи расширения, когда вещество и антивещество были в более тесном контакте, их аннигиляция должна была рождать мощное гамма-излучение. Наблюдения его не обнаруживают, что делает симметричную модель маловероятной.

   2. В модели Холодного Большого взрыва предполагается, что расширение началось при температуре абсолютного нуля. Правда, и в этом случае ядерный синтез должен происходить и разогревать вещество, но микроволновое фоновое излучение уже нельзя прямо связывать с Большим взрывом, а нужно объяснять как-то иначе. Эта теория привлекательна тем, что вещество в ней подвержено фрагментации, а это необходимо для объяснения крупномасштабной неоднородности Вселенной.

   3. Стационарная космологическая модель предполагает непрерывное рождение вещества. Основное положение этой теории, известное как Идеальный космологический принцип, утверждает, что Вселенная всегда была и останется такой, как сейчас. Наблюдения опровергают это.

   4. Рассматриваются измененные варианты эйнштейновской теории гравитации. Например, теория К.Бранса и Р.Дикке из Принстона в общем согласуется с наблюдениями в пределах Солнечной системы. Модель Бранса – Дикке, а также более радикальная модель Ф.Хойла, в которой некоторые фундаментальные постоянные изменяются со временем, имеют почти такие же космологические параметры в нашу эпоху, как и модель Большого взрыва.

   5. На основе модифицированной эйнштейновской теории Ж.Леметр в 1925 построил космологическую модель, объединяющую Большой взрыв с длительной фазой спокойного состояния, в течение которой могли формироваться галактики. Эйнштейн заинтересовался этой возможностью, чтобы обосновать свою любимую космологическую модель статической Вселенной, но когда было открыто расширение Вселенной, он публично отказался от нее.

   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 10 14 лет звезды остынут, поскольку исчезнет весь материал для термоядерных реакций. Через 10 15 лет звезды начнут покидать свои галактики, а планеты отрываться от звезд и улетать в космическое пространство. За время примерно в 10 17 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 10 32 лет Вселенная будет состоять из черных дыр и разреженного электронно-позитронного газа. Через 10 96 лет черные дыры испарятся. Через 10 100 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 10 65 лет все вещество превратится в жидкость, а звезды, ставшие к тому времени черными карликами, превратятся в жидкие капли. Через 10 1500 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. Создатель синергетики И. Пригожин утверждает, что стандартная модель предсказывает: в конце концов, наша Вселенная обречена на смерть либо в результате непрерывного расширения (тепловая смерть), либо в результате последующего сжатия («страшный треск»).Однако, Вселенная, возникнув из вакуума, в результате расширения вновь возвращается в состояние вакуума, но не исключаются возможности повторных флуктуации.

   Введение

   Издавна человеческая мысль пытается разрешить проблему происхождения нашего мира, возникновения и дальнейшей судьбы вселенной. Этот вопрос относится к числу вечных вопросов, и, наверное, никогда не перестанет волновать умы людей. В разные времена предлагались и различные решения указанной проблемы. Согласно одним из них, мир был сотворен и когда-то начал свое существование; согласно другим – мир вечен и не имеет начала. Известны и такие точки зрения, согласно которым вселенная периодически возникает и уничтожается.

   Происхождение и эволюция Вселенной

   Вселенная возникла примерно 20 млрд. лет тому назад из некоего плотного и горячего протовещества. Сегодня можно только предполагать, каким было это прародительское вещество Вселенной, как оно образовалось, каким законам подчинялось, и что за процессы привели его к расширению. Существует точка зрения, что с самого начала протовещество с гигантской скоростью начало расширяться. На начальной стадии это плотное вещество разлеталось, разбегалось во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно распадающихся при столкновениях частиц. Остывая и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались в громадные комплексы. В них в свою очередь возникали более плотные участки – там впоследствии и образовались звезды и даже целые галактики. В результате гравитационной нестабильности в разных зонах образовавшихся галактик могут сформироваться плотные «протозвездные образования» с массами, близкими к массе Солнца. Начавшийся процесс сжатия будет ускоряться под влиянием собственного поля тяготения. Процесс этот сопровождает свободное падение частиц облака к его центру – происходит гравитационное сжатие. В центре облака образуется уплотнение, состоящее из молекулярного водорода и гелия. Возрастание плотности и температуры в центре приводит к распаду молекул на атомы, ионизации атомов и образованию плотного ядра протозвезды. Существует гипотеза о цикличности состояния Вселенной. Возникнув когда-то из сверхплотного сгустка материи. Вселенная, возможно, уже в первом цикле породила внутри себя миллиарды звездных систем и планет. Но затем неизбежно Вселенная начинает стремиться к тому состоянию, с которого началась история цикла, красное смещение сменяется фиолетовым, радиус Вселенной постепенно уменьшается и в конце концов вещество Вселенной возвращается в первоначальное сверхплотное состояние, по пути к нему безжалостно уничтожив всяческую жизнь. И так повторяется каждый раз, в каждом цикле на протяжении вечности! К началу 30-х годов сложилось мнение, что главные составляющие Вселенной – галактики, каждая из которых в среднем состоит из 100 млрд. звезд. Солнце вместе с планетной системой входит в нашу Галактику, основную массу звезд которой мы наблюдаем в форме Млечного Пути. Кроме звезд и планет. Галактика содержит значительное количество разреженных газов и космической пыли. Конечна или бесконечна Вселенная, какая у нее геометрия – эти и многие другие вопросы связаны с эволюцией Вселенной, в частности с наблюдаемым расширением. Если, как это считают в настоящее время, скорость «разлета» галактик увеличится на 75 км/с на каждый миллион парсек, то экстраполяция к прошлому приводит к удивительному результату: примерно 10–20 млрд. лет назад вся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой области. Многие ученые считают, что в то время плотность Вселенной была такая же, как у атомного ядра. Проще говоря, Вселенная тогда представляла собой одну гигантскую «ядерную каплю». По каким-то причинам эта «капля» пришла в неустойчивое состояние и взорвалась. Последствия этого взрыва мы наблюдаем сейчас как системы галактик. Самый серьезный удар по незыблемости Вселенной был нанесен результатами измерений скоростей удаления галактик, полученными известным американским ученым Э. Хабблом. Он установил, что любая галактика удаляется от нас в среднем со скоростью, пропорциональной расстоянию до нее. Это открытие окончательно разрушило существовавшее со времен Аристотеля представление о статичной, незыблемой Вселенной, уже, впрочем, пошатнувшееся в связи с открытием эволюции звезд. Значит, галактики вовсе не являются космическими фонарями, подвешенными на одинаковых расстояниях друг от друга, и, более того, раз они удаляются, то когда-то в прошлом они должны были быть ближе к нам. Около 20 млрд. лет тому назад все галактики, судя по всему, были сосредоточены в одной точке, из которой началось стремительное расширение Вселенной до современных размеров. Но где же находится эта точка? Ответ: нигде и в то же время повсюду; указать ее местоположение невозможно, это противоречило бы основному принципу космологии. Еще одно сравнение, возможно, поможет понять это утверждение. Согласно общей теории относительности, присутствие вещества в пространстве приводит к его искривлению. При наличии достаточного количества вещества можно построить модель искривленного пространства. Передвигаясь по земле в одном направлении, мы в конце концов, пройдя 40000 км, должны вернуться в исходную точку. В искривленной Вселенной случится то же самое, но спустя 40 млрд. световых лет; кроме того, «роза ветров» не ограничивается четырьмя частями света, а включает направления также вверх-вниз. Итак, Вселенная напоминает надувной шарик, на котором нарисованы галактики и, как на глобусе, нанесены параллели и меридианы для определения положения точек; но в случае Вселенной для определения положения галактик необходимо использовать не два, а три измерения. Расширение Вселенной напоминает процесс надувания этого шарика: взаимное расположение различных объектов на его поверхности не меняется, на шарике нет выделенных точек. Чтобы оценить полное количество вещества во Вселенной, нужно просто подсчитать все галактики вокруг нас. Поступая, таким образом, мы получим вещества меньше, чем необходимо, чтобы, согласно Эйнштейну, замкнуть, «воздушный шарик» Вселенной. Существуют модели открытой Вселенной, математическая трактовка которых столь же проста и которые объясняют нехватку вещества. С другой стороны, может оказаться, что во Вселенной имеется не только вещество в виде галактик, но и невидимое вещество в количестве, необходимом, чтобы Вселенная была замкнута; полемика по этому поводу до сих пор не затихает.

   Креативная роль физического вакуума

   Произнося слово «вакуум», мы обычно представляем себе чрезвычайно разреженную среду, которую либо исследуют в специальных лабораториях, либо наблюдают в космическом пространстве. Однако вакуум это не пустота, а нечто совершенно иное: особое, ненаблюдаемое в повседневной жизни состояние материи, называемое физическим вакуумом.

   Обычных (реальных) частиц в пустом объеме, конечно, нет, но квантовая теория предсказывает существование множества других частиц, называемых виртуальными. Такие частицы способны при определенных условиях превращаться в реальные.

   Время жизни для частиц с массой me около

   с. Эта величина очень мала и говорит они не столько о «жизни», сколько о кратковременном всплеске жизни весьма странных частиц и связанных с ними полей.

   Итак, море ненаблюдаемых частиц, готовых при определенных условиях превратиться в обычное.

   Состояние физического вакуума можно охарактеризовать наименьшим значением энергии таких квантовых полей, как скалярное поле, которое должно существовать в вакууме. Этому полю ставится в соответствие гипотетическая частица хиггс (по имени ученого Хиггса, ее предложившего), которая является примером сверхтяжелого бозона, масса которого, возможно, в

   раз больше массы протона. Такие частицы могут рождаться при температуре K. Существуют проекты огромных ускорителей, где, наблюдая взаимодействие частиц, ученые надеются подтвердить реальность существования хиггсов.

   Один из проектов американские инженеры и физики планируют осуществить в конце века. Это будет очень мощный ускоритель на встречных пучках, причем для уменьшения потребляемой энергии в кольцевой установке с длиной окружности 84 км будут использованы сверхпроводящие магниты. Будущий ускоритель назван сверхпроводящим суперколлайдером SSC.

   Одно из удивительных свойств физического вакуума связано с тем, что он создает отрицательное давление и, стало быть, сможет оказаться источником сил отталкивания в природе. Это свойство играет исключительно важную роль в сценарии «раздувающейся Вселенной».

   Парадоксы стационарной Вселенной

   В 1744 г. швейцарский астроном Жан Филипп де Шезо открыл фотометрический парадокс, связанный с предполагаемой бесконечностью вселенной. Суть его в следующем: если в бесконечной вселенной бесчисленное множество звезд, то по любому направлению взгляд земного наблюдателя непременно наталкивался бы на какую-нибудь звезду, и тогда небосвод имел бы яркость сравнимую с яркостью солнца, чего в действительности не наблюдается. В 1826 г. немецкий астроном Генрих Ольберс независимым путем пришел к тем же выводам. С тех пор фотометрический парадокс носит имя парадокса Шезо-Ольберса. Ученые пытались различными путями устранить указанный парадокс, предполагая неравномерность расположения звезд или поглощение света газопылевыми межзвездными облаками, как это пытались сделать Шезо и Ольберс. Однако, как было позже показано, газопылевые облака должны были нагреться и сами переизлучать поглощенные лучи, и этот факт не позволял избежать фотометрического парадокса.

   В 1895 г. немецкий астроном Хуго Зеелигер открыл гравитационный парадокс, также связанный с предполагаемой бесконечностью вселенной. Суть его такова: если в бесконечной вселенной бесчисленное множество равномерно распределенных звезд (масс), то сила тяготения их, действующая на любое тело, становится или бесконечно большой или неопределенной (в зависимости от способа расчета), чего не наблюдается. И в этом случае предпринимались попытки избежать гравитационного парадокса, предполагая в законе тяготения другую формулу для гравитационной силы, или, считая, что плотность масс во вселенной близка к нулю. Но точные наблюдения за движением планет солнечной системы опровергли эти предположения. Парадокс оставался в силе.