Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции

Изотропность указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек и направлений, то есть ее свойства не зависят от направления.

Однородность характеризует распределение в среднем вещества во Вселенной.

Перечисленные утверждения часто называют космологическими постулатами. К ним добавляют также правдоподобное требование об отсутствии во Вселенной сил, препятствующих силам тяготения. При таких предположениях модели оказываются наиболее простыми.

В основе моделей лежат уравнения общей теории относительности Эйнштейна, а также представления о кривизне пространства-времени и связи этой кривизны с плотностью массы вещества. С точки зрения общей теории относительности кривизна пространства-времени определяется распределением тяготеющих масс. Но независимо от этого модели можно рассматривать и чисто геометрически.

В зависимости от кривизны пространства-времени различают4:

• открытую модель, в которой кривизна отрицательна или равна нулю, а расстояния между скоплениями галактик со временем непрерывно увеличиваются, что соответствует бесконечной Вселенной;
• замкнутую модель с положительной кривизной, в которой Вселенная оказывается конечной, но столь же неограниченной, так как, двигаясь по ней, нельзя достичь какой-либо границы.

Независимо от того, рассматриваются ли открытые или замкнутые модели Вселенной, все ученые сходятся в том, что для объяснения расширения Вселенной необходимо допустить, что первоначально Вселенная находилась в условиях, которые трудно вообразить на Земле. Такое расширение должно начаться с некоторой одиночной точки, в которой должна быть сконцентрирована вся материя. Поэтому состояние материи в этой точке должно удовлетворять специфическим условиям, которые трудно обнаружить где-либо в мире.   Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и давления в сингулярности, в которой была сосредоточена материя. Такое допущение вполне согласуется с установлением расширения Вселенной, которое могло начаться, когда она находилась в очень горячем состоянии и постепенно охлаждалась по мере расширения. Такая модель  «горячей» Вселенной впоследствии была названа стандартной.

Эта модель предполагает, что начальная температура внутри сингулярности превышала 1013 градусов (10 трлн) по абсолютной шкале Кельвина, в которой начало шкалы соответствует 273 градусам шкалы  Цельсия. Плотность материи равнялась бы приблизительно 1093г/см3,  огромная величина, которую трудно даже вообразить.

В подобном состоянии неизбежно должен был произойти «большой взрыв», с которым связывают начало эволюции в стандартной модели Вселенной, называемой также моделью «большого взрыва». Предполагают, что такой взрыв произошел примерно 15—20 млрд лет назад и сопровождался сначала быстрым, а потом более медленным расширением и соответственно постепенным охлаждением Вселенной. По степени этого расширения ученые судят о состоянии материи на разных стадиях ее эволюции. Полагают, например, что после 0,01 секунды после взрыва плотность материи с невообразимо большой величины должна была упасть до 1010 г/см3. В этих условиях в расширяющейся Вселенной, по-видимому, должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино, а также небольшое количество нуклонов (протонов и| нейтронов). При этом могли происходить непрерывные превращения пары электрон+позитрон в пару фотонов и обратно, пары фотонов в пару электрон+позитрон. Но уже через 3 минуты после взрыва из нуклонов образуется смесь легких ядер: 2/3 водорода и 1/3 гелия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Сущность проблемы происхождения  и эволюции Вселенной

2.1. Проблемы происхождения Вселенной. Теория большого взрыва

Проблема начала вселенной фактически не разрешима и в какой-то мере подобна старому вопросу: что произошло первым цыпленок или яйцо. Или,  какая сила создала вселенную? И что создало эту силу? Или возможно, вселенная, или сила, которая создавало все это, существовали всегда, и не имели начала?

Вплоть до недавнего времени, ученые имели тенденцию не касаться таких вопросов, так как они принадлежали к метафизике или религии, а не к науке.

Тем не менее, недавно возникло учение о том, что Законы Науки могут быть даже в начале вселенной. В этом случае, вселенная могла определяться полностью Законами Науки.

Перед учеными всегда вставала проблема выбора между верой в Бога и материальной верой. Они еще не знали первопричин происхождения вселенной, поскольку в то время у них не было достаточной научной базы. Вера в Бога была более предпочтительна. Исторически религия была старше, чем наука и естественно немногие воспринимали науку серьезно. Однако со временем она набирала силу, и все чаще люди стали обращаться именно к ней.

В XIX веке накапливались подтверждения начала вселенной. Земля и остальная часть вселенной фактически изменились со временем. С одной стороны, геологи поняли, что образование скал и ископаемых в них, имело возраст сотни или тысячи миллионов лет. Это было намного более длительным сроком, чем возраст Земли, согласно христианской религии.

С другой стороны, немецкий физик Больцман, вывел Второй Закон Термодинамики, который указывает на то, что общая сумма беспорядочно движущихся частиц во вселенной (который измеряется количеством называющимся энтропия) всегда увеличивается со временем. Это означает, что вселенная могла быть в сжатом состоянии только в одно время в точке начала. В противном случае, вселенная должна вырождаться в состояние полного беспорядка с одинаковой температурой.

Другая трудность с идеей статической вселенной была в том, что согласно Закону Силы Тяжести И. Ньютона, каждая звезда во вселенной должна притягиваться к каждой другой звезде. Как же они могли оставаться на постоянном расстоянии друг от друга? Не будут ли они все вместе падать? Ньютон был осведомлен об этой проблеме звезд, привлекающих друг друга. В письме к Ричарду Бентли, ведущему философу того времени, он согласился, что конечное скопление звезд не может остаться неподвижным: они все бы упали вместе в некоторой центральной точке. Тем не менее, он поспорил, что бесконечное скопление звезд, не должно падать вместе: для них не было бы центральной точки, чтобы туда упасть. Этот аргумент является примером западни, одну из которых мы можем встретить, когда одни говорят о бесконечных системах. Используя другие пути, чтобы добавить силу в каждой звезде, из бесконечного количества других звезд во вселенной, однажды могут появиться другие ответы на вопрос: они могут оставаться на постоянном расстоянии друг от друга. Теперь становится очевидным, что правильная методика должна рассматривать случай начальной точки, откуда произошел мир.

Несмотря на эти трудности с идеей статической и неменяющейся вселенной никто с семнадцатого по двадцатое столетия не считал, что вселенная могла развиваться со временем. Ньютон и Эйнштейн оба пропустили шанс предсказать, что вселенная могла бы или сокращаться или расширяться. Нельзя действительно противопоставлять это открытиям Ньютона, из-за того, что он жил двести пятьдесят лет перед открытием расширения вселенной. Однако Эйнштейн должен был знать это лучше. Когда он сформулировал теорию относительности, чтобы проверить теорию Ньютона с его собственной специальной теорией относительности, он добавил так называемую, "космическую константу''. Это представляло собой отталкивающий гравитационный эффект, который мог бы балансировать эффект притяжения материала во вселенной. Таким образом, было возможно иметь статическую модель вселенной.

Эйнштейн позже сказал: «Космическая константа была величайшей ошибкой моей жизни». Это произошло после наблюдений отдаленных галактик Эдвином Хабблом в 1920 году, и показало, что они перемещаются далеко от нас, со скоростями, которые были приблизительно пропорциональными их расстоянию от нас. Другими словами, вселенная не статическая, как прежде было принято думать: она расширяется. Расстояние между галактиками со временем возрастает.

Как уже упоминалось выше, в 1929 году Хаббл открыл так называемый эффект «красного смещения». Он утверждал, что во всех наблюдаемых спектрах всех наблюдаемых галактик он видит красную подсветку в части спектра. В пример он брал наблюдателя, стоящего около источника света, который удалялся или приближался. При удалении источника света мы наблюдаем красный свет спектра, а при приближении - фиолетовый.

Различные цвета подтверждают, что все галактики от нас удаляются. Однако наука не использовала этот факт до 1964 года. И лишь в этом году ученые А. Пензиас и Р. Б. Вильсон открыли эффект «реликтового фона». Они утверждали, что во всех точках вселенной наблюдается постоянный и однородный шум: реликтовый фон равный 3 градусам К.

Это означает, что галактики удаляются с определенной скоростью, следовательно, была и начальная точка отсчета.

Эти два неоспоримых и полностью доказанных факта подтверждают теорию Большого Взрыва. Начальная точка отсчета существовала, и все ранние научные догмы по проблеме начала вселенной полностью опровергаются. С момента осознания данного факта научное понятие начала вселенной пришло в некоторое согласие с христианской точкой зрения. Христиане считают, что началом был Бог, который и создал Вселенную. Таким образом, можно говорить о том, что в наше время существует две основных научных теории возникновения Вселенной. Согласно теории стабильного состояния, материя и энергия, пространство и время существовали всегда. Однако почему сейчас создание энергии и материи не представляется возможным?

 Невозможность создания материи  и энергии утверждает Закон Термодинамики, из которого не было обнаружено ни одного исключения. Напротив, все стремится к распаду и разрушению, энергия иссякает, становясь все менее способной на совершение работы (Второй Закон Термодинамики). Бесконечно старая Вселенная должна быть полностью лишена полезной энергии и каких-либо изменений достигнуть состояния, называемого тепловой смертью.

Как уже упоминалось выше, самая популярная теория происхождения Вселенной, которую поддерживают большинство теоретиков - Теория Большого Взрыва. Она утверждает, что Вселенная возникла внезапно, но благодаря случайному событию, которое случилось миллиарды лет назад. Оценка возраста Вселенной последнее время колебалась в пределах 8 - 20 миллиардов лет, и в настоящее время речь ведется о 12 миллиардах лет5.

Примерно после первого миллиона лет после Большого Взрыва атомы двух самых легких элементов, водорода и гелия, стали стабильными. Под действием сил притяжения начали концентрироваться облака материи. В результате сформировались галактики, звезды и другие небесные тела. Звезды старели, взрывались сверхновые, после чего появлялись более тяжелые элементы, формировали звезды более позднего поколения, такие, как наше Солнце. Одно из доказательств, приводимое в подтверждение того, что в свое время произошел Большой Взрыв, - красное смещение света от объектов, расположенных на больших расстояниях, и eго микроволновое фоновое излучение.

 

2.2. Проблема эволюции Вселенной. Будущее  Вселенной

Как упоминалось в начале данной работы, центральной проблемой естествознания является проблема эволюции Вселенной. Особенно она привлекает ученых-биологов.

О расширяющейся Вселенной свидетельствует, как уже отмечалось,  красное смещение длин волн света, испускаемых галактиками в связи с их удалением от наблюдателя согласно эффекта Доплера. Это открытие В.М. Слайфера и Э.П. Хаббла (американских астрономов) не потеряло свое значение и в наше время.

В связи с открытием расширяющейся Вселенной перед космологами стал вопрос, как долго может длиться этот процесс. Согласно релятивистской теории тяготения А. Эйнштейна и учения А. Фридмана о нестационарности Вселенной, разбегающиеся галактики тормозятся силами гравитации. Было рассчитано с использованием уравнения Э. Хаббла, что если плотность вещества во вселенной ρкр равна 10–29 г/см3 (так называемая критическая плотность), следовательно, сил гравитации во Вселенной достаточно, чтобы ее расширение было заторможено, и согласно теории А. Фридмана сменилось на обратный процесс – концентрацию галактик под влиянием сил тяготения.

Однако астрофизические расчеты показали, что плотность вещества во Вселенной ниже критической и составляет ρрасч. = 3,0·10–31 г/см3. Если это так, то Вселенная обречена на бесконечное расширение.

В настоящее время распространено мнение, что учтена не вся масса во Вселенной, и что имеется еще так называемая «скрытая масса». Предположительно, это может быть реликтовое нейтринное излучение. Однако последние работы в этой области не подтверждают эту гипотезу.

При изучении данной проблемы обращает на себя внимание тот факт, что при разработке вопросов механики Вселенной космологи прошлого и настоящего рассматривают астрофизические объекты только как источники гравитации, не учитывая процессы, происходящие в этих объектах, энергию их излучения, которая как раз и составляет скрытую массу во Вселенной, поскольку энергия эквивалентна массе: Е = mс2.

Подсчитано, что 90-95% массы галактик сосредоточено в звездах. Рассчитано, что полная энергия излучения Солнца Е0= 3,826·1026 Дж/с. Наша Галактика Млечный Путь обладает излучением приблизительно 1010 Е0, т.е. 3,826·1036 Дж/с.

Существует мнение, что если бы галактика была неподвижна во Вселенной, то излучаемая ею энергия оказывала бы на нее со всех сторон одинаковое воздействие. Но поскольку галактики во Вселенной движутся по инерции после Большого Взрыва, то воздействие излучения на разные стороны «шара» будет разным. Против направления движения оно будет большим, поскольку происходит смещение спектра излучения в фиолетовую область. Перемещающиеся в пространстве Вселенной галактики – это самотормозящиеся ракеты.

Вклад сил тяготения в торможение галактик невелик, и основную роль в этом отношении выполняют силы реактивного торможения за счет внутренней энергии галактик.

При сближении галактик силы реактивного излучения будут выполнять тормозную функцию. Таким образом, подтверждается теория А. Эйнштейна, что наряду с силами Всемирного тяготения существуют силы космического отталкивания между телами. Как показали расчеты некоторых исследователей, такая сила отталкивания создается за счет энергии излучения звездных систем.

Таким образом,  расширение Вселенной не бесконечно. В результате реактивного самоторможения галактик за счет их внутренней энергии происходит замедление их скоростей движения в пространстве Вселенной после Большого Взрыва. И через расчетное время они начнут сближаться.

Поскольку звездные системы в большом масштабе рассеяны равномерно, то и сближение их будет происходить синхронно. Все это означает, что Вселенная претерпевает определенные этапы в своем развитии, и что нынешнее ее состояние не бесконечно.