Эволюция мироздания и основные гипотезы происхождения Вселенной

Простая аналогия поможет вам интерпретировать этот результат. Представьте, что вы сидите у камина и смотрите на угли. Пока огонь горит ярко, угли кажутся желтыми. По мере затухания пламени угли тускнеют до оранжевого цвета, затем до темно-красного. Когда огнь почти затух, угли перестают испускать видимое излучение, однако, поднеся к ним руку, вы почувствуете жар, что означает, что угли продолжают излучать энергию, но уже в инфракрасном диапазоне частот. Чем холоднее объект, тем ниже излучаемые им частоты и больше длина волн. По сути, Пензиас и Уилсон определили температуру «космических углей» Вселенной после того, как она остывала на протяжении 15 миллиардов лет: ее фоновое излучение оказалось в диапазоне микроволновых радиочастот.

Исторически это открытие и предопределило выбор  в пользу космологической теории Большого взрыва. Другие модели Вселенной (например, теория стационарной Вселенной) позволяют объяснить факт расширения Вселенной, но не наличие космического микроволнового фона.

Изобилие  легких элементов. Ранняя Вселенная была очень горячей. Даже если протоны и нейтроны при столкновении объединялись и формировали более тяжелые ядра, время их существования было ничтожным, потому что уже при следующем столкновении с еще одной тяжелой и быстрой частицей ядро снова распадалось на элементарные компоненты. Выходит, что с момента Большого взрыва должно было пройти около трех минут, прежде чем Вселенная остыла настолько, чтобы энергия соударений несколько смягчилась и элементарные частицы начали образовывать устойчивые ядра. В истории ранней Вселенной это ознаменовало открытие окна возможностей для образования ядер легких элементов. Все ядра, образовывавшиеся в первые три минуты, неизбежно распадались; в дальнейшем начали появляться устойчивые ядра.

Однако  это первичное образование ядер (так называемый нуклеосинтез) на ранней стадии расширения Вселенной продолжался очень недолго. Вскоре после первых трех минут частицы разлетелись так далеко друг от друга, что столкновения между ними стали крайне редкими, и это ознаменовало закрытие окна синтеза ядер. В этот краткий период первичного нуклеосинтеза в результате соударений протонов и нейтронов образовались дейтерий (тяжелый изотоп водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре), гелий-3 (два протона и нейтрон), гелий-4 (два протона и два нейтрона) и, в незначительном количестве, литий-7 (три протона и четыре нейтрона). Все более тяжелые элементы образуются позже — при формировании звезд.

Теория  Большого взрыва позволяет определить температуру ранней Вселенной и  частоту соударений частиц в ней. Как следствие, мы можем рассчитать соотношение числа различных  ядер легких элементов на первичной  стадии развития Вселенной. Сравнив эти прогнозы с реально наблюдаемым соотношением легких элементов (с поправкой на их образование в звездах), мы обнаруживаем впечатляющее соответствие между теорией и наблюдениями.Это лучшее подтверждение гипотезы Большого взрыва.

 Помимо двух приведенных выше доказательств (микроволновой фон и соотношение  легких элементов) недавние работы показали, что сплав космологии Большого взрыва и современной теории элементарных частиц разрешает многие кардинальные вопросы устройства Вселенной.  

Конечно, проблемы остаются: мы не можем объяснить  саму первопричину возникновения Вселенной; не ясно нам и то, действовали  ли в момент ее зарождения нынешние физические законы. Но убедительных аргументов в пользу теории Большого взрыва на сегодняшний день накоплено более чем достаточно.

 

 

 

 

 

 

4. Другие теории происхождения Вселенной. 

4.1 Теория  «бесконечно пульсирующей Вселенной» утверждает, что наш мир произошел в результате гигантского взрыва, но расширение Вселенной не будет продолжаться вечно, т.к. его остановит гравитация. По этой теории наша Вселенная расширяется на протяжении 18 млрд. лет со времени взрыва. В будущем расширение полностью замедлится, и произойдет остановка. А затем Вселенная начнёт сжиматься до тех пор, пока вещество опять не сожмется и произойдет новый взрыв.      

Согласно  этой теории, мир никогда не возникал и никогда не исчезнет (или по другому рождается и умирает  бесконечное количество раз), но обладает периодичностью, при этом под сотворением мира понимается точка отсчета после которой мир строится заново (она же обозначает и конец мира).

4.2 Теория  стационарного взрыва. Согласно ей Вселенная не эволюционирует, и не имеет ни начала, ни конца. Она все время пребывает в одном и том же состоянии. Постоянно идет образование нового водоворота, чтобы возместить вещество удаляющимися галактиками. Вот по этой причине Вселенная всегда одинакова, но если Вселенная, начало которой положил взрыв, будет расширяться до бесконечности, то она постепенно охладится и совсем угаснет.      

Сторонники  такой точки зрения отвергают  расширение Вселенной, а красное  смещение объясняют гипотезой о  «старении» света. Однако, как выяснилось, эта гипотеза противоречит наблюдениям, например, наблюдаемой зависимости продолжительности вспышек сверхновых от расстояния до них.     

Но  пока ни одна из этих теорий не доказана, т.к. на данный момент не существует ни каких точных доказательств хотя бы одной из них.     

Объяснение  ряда наблюдаемых или предполагаемых явлений, таких как сингулярности, возникающие при развитии массивных звёзд в «чёрные дыры» или существовавшие в «точке 0» в теории Большого взрыва, или асимметрия вещества и антивещества, могут быть найдены при допущении, что наша Вселенная - продукт процессов, имевших место в «Сверхвселенной», метрика которой больше наблюдаемой нами. Такими процессами могли быть соударение сверхмасс, или столкновение сверхмассы с нашей пространственно-временной метрикой, возникшее искривление которой вызывает эффект разбегания галактик, или прорыв в виде «сверхбелой дыры».     

Для всех этих гипотез существенны:      

а) представление о нашей Вселенной, как о вложенном пространстве, открытой системе;      

б) понимание, что с момента зарождения наша Вселенная наследует некоторые  фундаментальные свойства источника творения, например, значительное количественное преобладание вещества над антивеществом;      

в) временной фактор (материя Сверхвселенной поступает в наше пространство или  формирует его в течение конечного  интервала времени с переменной интенсивностью).

4.3 Антропный принцип утверждает, что Вселенная такая, какая она есть потому, что есть наблюдатель или же он должен появиться на определенном этапе развития. В доказательство создатели этой теории приводят очень интересные факты. Это критичность фундаментальных констант и совпадение больших чисел. Получается, что они полностью взаимосвязаны и их малейшее изменение приведет к полному хаосу. То, что такое явное совпадение и даже можно сказать закономерность существует, дает этой, безусловно интересной теории шансы на жизнь.      

Антропный (человеческий) принцип первым сформулировал  в 1960 году Г.И. Иглис, затем развил ученый Картер.

5.Современные гипотезы происхождения Вселенной

В науке ХХ в. происхождение  Вселенной рассматривалось не только с точки зрения процессов, связанных  с массой и энергией, но и с  точки зрения происхождения пространства и времени.

Очень важно заметить, что все научные космологические модели всегда есть лишь гипотезы.

В 1925-1930 гг. Эдвин Хаббл  и Милтон Хамсон при исследовании галактик (спиралевидных туманностей Млечного пути) установили, что свет, испускаемый ими, смещен в красную область спектра тем больше, чем дальше они от нас. Это послужило основанием для заключения о разбегании галактик со скоростями, пропорциональными их удалению от нас и друг от друга. Поскольку все галактики удаляются от нас и друг от друга, можно заключить, что Вселенная расширяется. Наглядно это можно представить, наблюдая расхождение точек на раздувающемся мыльном пузыре. При точном определении – наша Вселенная расширяется в четырехмерном пространственно-временном континууме.

В свою очередь, на основании  этого факта можно рассчитать возраст Вселенной, экстраполируя  ее зарождение к состоянию, когда  она была сжата в точку. Получается, что возраст Вселенной около 20 млрд. лет.

Масса и энергия в такой  точке не существовали, и понятия  пространства и времени для нее  не имели смысла.

В науке такое состояние  называется «сингулярностью», т.е. особым, уникальным, необычным состоянием.

Другой научный факт, дающий основания для развития теорий происхождения  и эволюции Вселенной как целого, следует из химического состава  звезд. По спектрам испускания звезд  установлено, что они в основном состоят из легчайшего элемента —  водорода.

Водород как бы поддерживает «жизнь» звезды, участвуя в ядерных  реакциях, происходящих в ее центре. При этом водород постоянно превращается в гелий и другие, более тяжелые  элементы. Звезда «умирает», когда истощается ее основное ядерное горючее –  водород.

Наиболее крупные звезды в конце своего существования  катастрофически взрываются и называются «сверхновыми». При этом в окружающее пространство испускаются тяжелые  элементы, образовавшиеся внутри звезды. Возможно, планеты нашей солнечной  системы образовались из продуктов  распада какой-то звезды.

Поскольку расход водорода во Вселенной – процесс необратимый, Вселенная должна закономерно идти к концу своего существования.

Таким образом, расширение Вселенной  и явление смерти звезд дают основание  для укрепления гипотезы о том, что  наша Вселенная имела Начало, а  не существует вечно.

В то же время, в ХХ в. предлагались и альтернативные гипотезы. Например, в 1948 г. английские астрономы Герман Бонди и Фред Хойл предложили модель стационарной Вселенной, опираясь на выдвинутую ими гипотезу «непрерывного творения». Они предположили, что новая материя постоянно создается во Вселенной в виде водорода и нейтронов. При этом явление расширения Вселенной они объясняют необходимостью образования новых «вакансий» для новых материальных объектов. Хойл также предположил, что новую материю продуцирует неизвестная ранее сила Си-поле. Творение из ничего представляется этим ученым простым законом природы.

Основные проблемы этой гипотезы – отсутствие наблюдений, ее подтверждающих. Гипотеза эта не согласуется с  известными законами сохранения в физике. К тому же, она плохо согласуется  с одним из критериев научности знания – «принципом фальсификации», особенно касательно гипотезы существования.

Дискуссии по поводу альтернативных гипотез продолжались до новых открытий 1960-х гг. В первую очередь это касается обнаружения космического «реликтового излучения».

В 1965 г. ученые Арно Пензиас и Роберт Вилсон при настройке микроволновой антенны были озабочены регистрируемой статической наводкой (постоянным сигналом). Вначале они решили, что причиной является гнездо, свитое голубями на антенне. Однако после удаления гнезда ничего не изменилось. Исследуя эффект более тщательно, они установили, что антенна принимает постоянное микроволновое излучение, пронизывающее все космическое пространство, т.е. Вселенная как целое охвачена как бы микроволновым «заревом». Излучение, открытое этими учеными, называется теперь «космическим реликтовым излучение, зародившимся в самом начале образования Вселенной. Это излучение соответствует очень малой температуре – около 3° выше абсолютного нуля.

Понять современный низкий температурный уровень излучения  можно, представив слабое тепловое излучение  от догорающих углей после сильного и яркого излучения от ранее горевшего костра.

Интересно, что за 20 лет  до этого, в 1940-е гг., физик Георг  Гамов предсказал существование  такого реликтового излучения на основании его модели «горячей Вселенной». В 1948 г. Ральф Альфер и Роберт Херман на основании модели Гамова рассчитали, что сейчас остаточное излучение от ранее горячей Вселенной будет соответствовать температуре около 5° выше абсолютного нуля.

В результате всего этого  многие современные ученые принимают  гипотезу образования Вселенной  в результате «Большого взрыва».

В 1974 г. было обнаружено еще  одно явление в пользу гипотезы «Большого  взрыва». Алан Сандейдж после наблюдений и расчетов установил, что скорость удаления галактик друг от друга со временем уменьшается. Это подтверждает, что Вселенная, подобно заведенным часам, идет к закономерному исходу.

Другая проблема происхождения  и эволюции Вселенной – может  ли быть Вселенная осциллирующей? Ученый Эрнст Опик предположил, что наша Вселенная возникла не в результате «Большого взрыва», а в результате «Большого отскока». По Опику, Вселенная циклически зарождается и коллапсирует через каждые несколько сотен биллионов лет.

Впрочем, гипотеза Опика не находит подтверждения на уровне современных научных концепций. Если наша Вселенная и коллапсирует, то нового зарождения ее не будет ввиду производства энтропии. То есть после сжатия Вселенной не произойдет повторного ее зарождения. Как говорят ученые, если что и будет, то не «Большой отскок», а «Большой хруст».

Что касается вопроса, будет  ли Вселенная неограниченно расширяться, или же произойдет гравитационный коллапс, то теоретическое предсказание конкретного  исхода зависит от достаточно точного  определения суммарной массы  вещества во Вселенной (это также  зависит и от достоверности самой  модели расширяющейся Вселенной). 

Критический анализ гипотез «Самого Начала»  

Основной вопрос, который  естественно задает человек: откуда взялась эта «сингулярность» и происхождение Вселенной? Ученые отказываются на него отвечать, поскольку это за пределами возможностей научного познания, по крайней мере, современных его положений и возможностей.

В результате этот важный вопрос остается только в сфере философии  и религии.

При всем множестве проблем  эволюционизма проблема Самого Начала остается не только центральной, но и запредельной для человеческого научно-философского познания.