Античные философы и современные ученые о происхождении и устройстве Вселенной

Рисунок.1. Семь типов поддающихся проверке моделей Вселенной. Наблю­дения опровергли почти все из них, кроме нескольких моделей Большого взрыва[5].

Сторонники теории стационарной Вселенной с самого начала ясно задекларировали свои намерения. По утверждению Бонди, «проблема» других теорий заключалась в том, что вопрос о творе­нии был «отдан в руки метафизиков». Хойл во вступительной гла­ве своей работы признаётся в «эстетическом неприятии идеи со­творения Вселенной в отдалённом прошлом». Позднее он выска­зывает следующую точку зрения на христианство: христианский взгляд на сотворение мира обрекает человека на «вечное разоча­рование». В 1982 году он снова повторяет свою догму: «Припи­сывать Вселенной определённый возраст — неважно, какой имен­но — значит, провозглашать концепцию времени выше самой Все­ленной, а такой подход — безумие, поскольку Вселенная — это все».

На протяжении 1960-х, 1970-х и в начале 1980-х годов был про­веден ряд сложных наблюдений и теоретических построений с це­лью подтвердить либо опровергнуть модель стационарной Вселен­ной. По иронии судьбы, простейших из тестов, предложенный ещё в 1920-х годах сэром Джеймсом Джинсом, был применён в самую последнюю очередь. Идея заключалась в следующем: стационар­ная Вселенная, не имеющая ни начала, ни конца, должна иметь «ста­ционарное население». Иными словами, количество молодых, сред­них, старых и угасших звёзд и галактик должно быть равномерным.[1].

Хотя наблюдению доступны звёзды в возрасте от нескольких дней до миллиардов лет, нигде во Вселенной не было обнаружено звёзд старше 16 миллиардов лет. Что же касается галактик, то все они, или почти все, находятся в среднем возрасте. Мы не видим недавно сформировавшихся галактик. Не наблюдается и угасших галактик. В 1985 году астроном Дональд Гамильтон установил, что все галактики сформировались приблизительно в одно и то же вре­мя. Теории стационарной Вселенной попросту не соответствуют данным наблюдений. В Таблице 1.1 приводится ряд свидетельств, опровергающих эти модели.

Таблица 1.1. Аргументы против модели стационарной Вселенной.

3.Осциллирующая Вселенная. Изыскания, приведшие к кончи­не моделей колеблющейся Вселенной и стационарной Вселенной, в то же время усилили позиции теории Большого взрыва и, следователь­но, идеи начала и Начинателя. Такой поворот событий обескуражил многих специалистов по космологии, и в смятении они возродили мо­дель, предложенную ранними учителями индуизма и древнеримски­ми философами-атеистами — модель осциллирующей Вселенной.[6].

Эта модель предполагает, что Вселенная должна иметь доста­точную массу для того, чтобы посредством гравитации остановить расширение и, более того, перейти к возвратной фазе, ведущей к полному коллапсу. Однако вместо того, чтобы вернуться к сингу­лярности, взрывающаяся Вселенная каким-то образом отскакивает и вновь расширяется. Этот цикл, согласно модели, повторяется сно­ва и снова. Бесконечное количество подобных циклов «избавляет нас от необходимости считать, что материя возникла в некий конк­ретный момент времени в прошлом». Следовательно, мы обязаны своим существованием некоему особо удачному скачку Вселенной (одному из бесконечного множества таких же скачков), в результа­те которого благодаря случайным естественным процессам частицы загадочным образом превратились в человеческие существа.

С 1965 года, когда модель осциллирующей Вселенной впервые была рассмотрена всерьёз, астрономы неустанно пытались обна­ружить массу, достаточную для остановки расширения Вселенной. И тем не менее все свидетельства наблюдения, равно как и теоре­тические расчёты, приводят к противоположному результату.

В 1983 и 1984 годах Марк Шер, Алан Гут  и Сидней Бладман продемонстрировали, что даже если Вселенная и содержит массу, достаточную для оста­новки своего текущего расширения, то коллапс всё равно породит не скачок, а лишь падение с глухим ударом. Из-за огромной энт­ропии Вселенной механическая энергия любого окончательного коллапса будет на несколько порядков меньше той, какая необхо­дима для скачка. Именно огромность энтропии и продиктовала название статьи Шера и Гута — «Невозможность скачущей Все­ленной». Иными словами, Вселенная куда больше походила бы на ком мокрой глины, шлёпающийся на толстый ковёр, нежели на бас­кетбольный мяч, отскакивающий от твёрдого деревянного пола. Очевидно, Вселенная либо непрерывно расширяется, либо прохо­дит только через один цикл расширения и сжатия[8].

Опровержения модели осцилляции Вселенной, предложенные Шером, Гутом и Бладманом, а ещё ранее — русскими физиками Игорем Новиковым и Яковом Зельдовичем, не включали в себя никаких предположений относительно слияния чёрных дыр в тот момент, когда Вселенная сжимается до точки, в которой домини­руют квантово-гравитационные эффекты. Поэтому недавно была сделана попытка оживить модель скачущей Вселенной — уже с учётом такой возможности. Однако, как признают авторы этой кон­цепции Арнольд Сиккема и Вернер Иераэль, последовательной квантовой теории гравитации пока не су­ществует, и возрождённая модель представляет осциллирующую Вселенную со строго ограниченным, конечным числом скачков.

Доводы против моделей осцил­ляции кратко суммируются в Таблице 1.2.[5].

Таблица 1.2. Аргументы против моделей осциллирующей Вселенной

ИНФЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ВСЕЛЕННОЙ

Инфляционная модель Вселенной — гипотеза о физическом состоянии и законе расширения Вселенной на ранней стадии Большого Взрыва (при температуре выше 1028 K), предполагающая период ускоренного по сравнению со стандартной моделью горячей Вселенной расширения. Предложена в 1981году Аланом Гутом и Андреем Линде

Первая и важнейшая проблема связана с причинами Большого Взрыва, сложившимися в первые мгновения Вселенной. Они моделируются так называемой гипотезой инфляционной Вселенной. В основе этой гипотезы – представление о существовании компенсирующей гравитационное притяжение силы космического отталкивания невероятной величины, которая смогла разорвать некое начальное состояние материи и вызвать её расширение, продолжающееся по сей день. В этой модели начальное состояние Вселенной является вакуумным[10].

Физический вакуум – это наинизшее энергетическое состояние всех полей, форма материи, лишённая вещества и излучения, но характеризующаяся активностью, возникновением и уничтожением виртуальных частиц (постоянно  «кипит», но не выкипает) и способностью находиться в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями и давлениями, причём эти давления – отрицательные. Возбужденное состояние такого вакуума называют «ложным вакуумом», который способен создать гигантскую силу космического отталкивания. Эта сила и вызвала безудержное и стремительное раздувание «пузырей пространства» ( зародышей одной или нескольких вселенных, каждая из которых характеризуется, допустим своими фундаментальными постоянными), в которых концентрировались гигантские запасы энергии. Подобное раздувание Вселенной  осуществлялось по экспоненте ( за каждые 10  с диаметр Вселенной увеличивался в 10 раз). Скорость раздувания значительно превосходила световую, но это не противоречит закону теории относительности, так как раздувание не связано с установлением причинно-следственных связей в веществе. Данный тип раздувания был назван инфляцией. Такое быстрое расширение означает, что все части Вселенной разлетаются, как при взрыве. А это и есть Большой Взрыв. В период квантовой космологии, т.е. с 10  по 10   с произошло, по-видимому, и формирование пространственно-временных характеристик нашей Вселенной.

Но фаза инфляции не может быть длительной. Отрицательный (ложный) вакуум неустойчив и стремится к распаду. Когда распад завершается, отталкивание исчезает, следовательно, исчезает и инфляция. Вселенная переходит во власть обычного гравитационного притяжения. «Часы» Вселенной в этот момент показывали всего 10  с. Но благодаря полученному первоначальному импульсу, приобретенному в процессе инфляции, расширение Вселенной продолжается, но неуклонно замедляется. Постепенное  замедление расширения Вселенной – это единственный  след, который сохранился до настоящего времени от начальных моментов Большого Взрыва[8].

В конце фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной, но по окончании фазы огромные запасы  энергии, сосредоточенные в исходном физическом вакууме, высвободились в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную до температуры примерно 10  К и энергии 10  ГэВ. С этого момента начинается эволюция горячей Вселенной. Благодаря энергии возникли вещество и антивещество, затем Вселенная стала остывать и испытывать последовательные фазовые переходы, в которых постепенно стали «кристаллизироваться» все её элементы, наблюдаемые сегодня.

Инфляционная модель Большого Взрыва объясняет крупномасштабную однородность и изотропность, образование структур галактик и их скоплений из первичных малых возмущений плотности, особенности изменения радиуса пространственной кривизны ( современное его значение близко к единице, как и в момент Большого Взрыва).

Несмотря на то что инфляционная модель разработана пока только частично, тем не менее она позволяет успешно объяснить ряд фундаментальных космологических закономерностей. Большой Взрыв перестал быть загадкой, лежащей за пределами естествознания.

ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ

Темная материя-название совокупности астрономических объектов, недоступных прямым наблюдениям современными средствами астрономии (то есть не испускающие электромагнитного излучения достаточной для наблюдений интенсивности), но наблюдаемым косвенно по гравитационным эффектам, оказываемым на наблюдаемые объекты.

Общая проблема скрытой массы состоит из двух проблем:

1.астрофизической, то есть противоречия наблюдаемой материи гравитационно связанных объектов и их систем, таких, как галактики и их скопления, с их наблюдаемыми параметрами, определяемыми гравитационными эффектами;

2.космологической — противоречия наблюдаемых космологических параметров полученной по астрофизическим данным средней плотности Вселенной[7].

Природа и состав тем ной материи

Кроме прямых наблюдений гравитационных эффектов скрытой массы существует ряд объектов, прямое наблюдение которых затруднено, но которые могут вносить вклад в состав скрытой массы. В настоящее время рассматриваются объекты барионной и небарионной природы: если к первым относятся достаточно хорошо известные астрономические объекты, то в качестве кандидатов во вторые рассматриваются нейтрино и гипотетические элементарные частицы, следующие из классической квантовой хромодинамики (аксионы) и суперсимметричных расширений квантовых теорий поля.

По современным представлениям, только около 4,4 % массы Вселенной составляет обычная барионная материя. Приблизительно 23 % приходится на небарионную тёмную материю, не участвующую в сильном и электромагнитном взаимодействии. Она наблюдается только в гравитационных эффектах.

В зависимости от скорости частиц различают горячую и холодную тёмную материю. Горячая тёмная материя состоит из частиц, движущихся с околосветовыми скоростями, по-видимому, из нейтрино.

Горячей тёмной материи недостаточно, по современным представлениям, для формирования галактик. Исследование структуры реликтового излучения показало, что существовали очень мелкие флуктуации плотности вещества. Быстро движущаяся горячая тёмная материя не могла бы сформировать такую тонкую структуру.

Холодная тёмная материя должна состоять из массивных медленно движущихся (и в этом смысле «холодных») частиц или сгустков вещества. Экспериментально такие частицы не обнаружены[7].

ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ

Тёмная энергия — в космологии гипотетическая форма энергии, имеющая отрицательное давление и равномерно заполняющая всё пространство Вселенной. Согласно общей теории относительности, гравитация зависит не только от массы, но и от давления, причём отрицательное давление должно порождать отталкивание, антигравитацию. Согласно последним данным, обнаружившим ускоренное расширение Вселенной, такая сила действительно действует в космологических масштабах.[8].