Модель Большого Взрыва

         Предположение об одинаковости  Вселенной во всех направлениях  на самом деле, конечно, не выполняется.  Как мы, например, уже знаем, другие  звезды в нашей Галактике образуют  четко выделяющуюся светлую полосу, которая идет по всему небу ночью - Млечный Путь. Но если говорить о далеких галактиках, то их число во всех направлениях примерно одинаково. Следовательно, Вселенная действительно "примерно" одинакова во всех направлениях - при наблюдении в масштабе, большом по сравнению с расстоянием между галактиками, когда отбрасываются мелкомасштабные различия.

         Правда, на первый взгляд, тот факт, что Вселенная кажется нам одинаковой во всех направлениях, может говорить о какой-то выделенности нашего местоположения во Вселенной. В частности, раз мы видим, что все остальные галактики удаляются от нас, значит, мы находимся в центре Вселенной. Но есть и другое объяснение: Вселенная будет выглядеть одинаково во всех направлениях и в том случае, если смотреть на нее из какой-нибудь другой галактики. Это, как мы знаем, вторая гипотеза Фридмана. У нас нет научных доводов ни за, ни против этого предположения, и мы приняли его, так сказать, из скромности: было бы крайне странно, если бы Вселенная казалась одинаковой во всех направлениях вокруг нас, а в других ее точках этого не было! В модели Фридмана все галактики удаляются друг от друга. Это вроде бы как надутый шарик, на который нанесены точки, если его все больше надувать. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается, но, ни одну из них нельзя назвать центром расширения. Притом чем больше расстояние между точками, тем быстрее они удаляются друг от друга. Но и в модели Фридмана скорость, с которой любые две галактики удаляются друг от друга, пропорциональна расстоянию между ними. Таким образом, модель Фридмана предсказывает, что красное смешение галактики должно быть прямо пропорционально ее удаленности от нас, в точном соответствии с открытием Хаббла. Несмотря на успех этой модели и на согласие ее предсказаний с наблюдениями Хаббла, работа Фридмана оставалась неизвестной на Западе, и лишь в 1935 г. американский физик Говард Робертсон и английский математик Артур Уолкер предложили сходные модели в связи с открытием Хаббла.

         Сам Фридман рассматривал только  одну модель, но можно указать  три разные модели, для которых  выполняются оба фундаментальных  предположения Фридмана. В модели  первого типа (открытой самим  Фридманом) Вселенная расширяется  достаточно медленно для того, чтобы в силу гравитационного  притяжения между различными  галактиками расширение Вселенной  замедлялось и, в конце концов, прекращалось. После этого галактики начинают приближаться друг к другу, и Вселенная начинает сжиматься. Расстояние между двумя соседними галактиками меняется со временем. Оно возрастает от нуля до некоего максимума, а потом опять падает до нуля. В модели второго типа расширение Вселенной происходит так быстро, что гравитационное притяжение хоть и замедляет расширение, не может его остановить. В этой модели расстояние между галактиками увеличивается, а в конце концов галактики удаляются друг от друга с постоянной скоростью. Есть, наконец, и модель третьего типа, в которой скорость расширения Вселенной только-только достаточна для того, чтобы избежать сжатия до нуля (коллапса). В этом случае расстояние между галактиками тоже сначала равно нулю, а потом все время возрастает. Правда, галактики "разбегаются" все с меньшей и меньшей скоростью, но она никогда не падает до нуля.

         Модель Фридмана первого типа  удивительна тем, что в ней  Вселенная не бесконечна в  пространстве, хотя пространство  не имеет границ. Гравитация настолько  сильна, что пространство, искривляясь,  замыкается с самим собой, уподобляясь  земной поверхности. Ведь, перемещаясь  в определенном направлении по  поверхности Земли, вы никогда  не натолкнетесь на абсолютно  непреодолимую преграду, не вывалитесь  через край и в конце концов вернетесь в ту же самую точку, откуда вышли. В первой модели Фридмана пространство такое же, но только вместо двух измерений, поверхность Земли имеет три измерения. Четвертое измерение, время, тоже имеет конечную протяженность, но оно подобно отрезку прямой, имеющему начало и конец. Потом мы увидим, что если общую теорию относительности объединить с квантово-механическим принципом неопределенности, то окажется, что и пространство, и время могут быть конечными, не имея при этом ни краев, ни границ.

         Мысль о том, что можно обойти  вокруг Вселенной и вернуться  в то же место, годится для  научной фантастики, но не имеет  практического значения, ибо, как  можно показать, Вселенная успеет  сжаться до нуля до окончания  обхода. Чтобы вернуться в исходную  точку до наступления конца  Вселенной, пришлось бы передвигаться со скоростью, превышающей скорость света, а это невозможно!

         В первой модели Фридмана (в  которой Вселенная расширяется  и сжимается) пространство искривляется, замыкаясь, само на себя, как  поверхность Земли. Поэтому размеры  его конечны. Во второй же  модели, в которой Вселенная расширяется  бесконечно, пространство искривлено  иначе, как поверхность седла.  Таким образом, во втором случае  пространство бесконечно. Наконец,  в третьей модели Фридмана (с  критической скоростью расширения) пространство плоское (и, следовательно,  тоже бесконечное). Но какая же  из моделей Фридмана годится  для нашей Вселенной? Перестанет  ли Вселенная, наконец расширяться и начнет сжиматься или же будет расширяться вечно? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно знать нынешнюю скорость расширения Вселенной и ее среднюю плотность. Если плотность меньше некоторого критического значения, зависящего от скорости расширения, то гравитационное притяжение будет слишком мало, чтобы остановить расширение. Если же плотность больше критической, то в какой-то момент в будущем из-за гравитации расширение Вселенной прекратится и начнется сжатие.

         Сегодняшнюю скорость расширения  Вселенной можно определить, измеряя  (по эффекту Доплера) скорости  удаления от нас других галактик. Такие измерения можно выполнить  очень точно. Но расстояния  до других галактик нам плохо  известны, потому что их нельзя  измерить непосредственно. Мы  знаем лишь, что Вселенная расширяется  за каждую тысячу миллионов  лет на 5-10%. Однако неопределенность  в современном значении средней  плотности Вселенной еще больше. Если сложить массы всех наблюдаемых  звезд в нашей и других галактиках, то даже при самой низкой  оценке скорости расширения сумма  окажется меньше одной сотой  той плотности, которая необходима  для того, чтобы расширение Вселенной  прекратилось. Однако и в нашей,  и в других галактиках должно  быть много темной материи,  которую нельзя видеть непосредственно,  но о существовании, которой  мы узнаем по тому, как ее  гравитационное притяжение влияет  на орбиты звезд в галактиках. Кроме того, галактики в основном  наблюдаются в виде скоплений,  и мы можем аналогичным образом  сделать вывод о наличии еще  большего количества межгалактической  темной материи внутри этих  скоплений, влияющего на движение  галактик. Сложив массу всей темной  материи, мы получим лишь одну  десятую того количества, которое  необходимо для прекращения расширения. Но нельзя исключить возможность  существования и какой-то другой  формы материи, распределенной  равномерно по всей Вселенной  и еще не зарегистрированной, которая могла бы довести среднюю  плотность Вселенной до критического  значения, необходимого, чтобы остановить  расширение. Таким образом, имеющиеся  данные говорят о том, что  Вселенная, вероятно, будет расширяться  вечно. Единственное, в чем можно  быть совершенно уверенным, так это в том, что если сжатие Вселенной все-таки произойдет, то никак не раньше, чем через десять тысяч миллионов лет, ибо, по крайней мере, столько времени она уже расширяется. Но это не должно нас слишком сильно тревожить: к тому времени, если мы не переселимся за пределы Солнечной системы, человечества давно уже не будет - оно угаснет вместе с Солнцем!

Если бы через секунду  после большого взрыва скорость расширения оказалась хоть на одну сто тысяча миллион миллионную (1/100.000.000.000.000.000) меньше, то произошло бы повторное  сжатие Вселенной и она никогда бы не достигла своего современного состояния.

         Все варианты модели Фридмана  имеют то общее, что в какой-то  момент времени в прошлом (десять-двадцать  тысяч миллионов лет назад)  расстояние между соседними галактиками  должно было равняться нулю. В  этот момент, который называется  большим взрывом, плотность Вселенной  и кривизна пространства-времени  должны были быть бесконечными.

         Поскольку математики реально  не умеют обращаться с бесконечно  большими величинами, это означает, что, согласно общей теории  относительности (на которой основаны  решения Фридмана), во Вселенной  должна быть точка, в которой  сама эта теория неприменима.  Все наши научные теории основаны  на предположении, что пространство-время  гладкое и почти плоское, а  потому все эти теории неверны  в сингулярной точке большого  взрыва, в которой кривизна пространства-времени  бесконечна. Следовательно, даже  если бы перед большим взрывом  происходили какие-нибудь события,  по ним нельзя было бы спрогнозировать  будущее, так как в точке  большого взрыва возможности  предсказания свелись бы к  нулю. Точно так же, зная только  то, что произошло после большого  взрыва (а мы знаем только это), мы не сможем узнать, что происходило  до него. События, которые произошли  до большого взрыва, не могут  иметь никаких последствий, касающихся  нас, и поэтому не должны  фигурировать в научной модели  Вселенной. Следовательно, нужно  исключить их из модели и  считать началом отсчета времени  момент большого взрыва.

         В 1963 г. два советских физика, Е. М. Лифшиц и И. М. Халатников, сделали еще одну попытку исключить большой взрыв, а с ним и начало времени. Лифшиц и Халатников высказали предположение, что большой взрыв - особенность лишь моделей Фридмана, которые, в конце концов, дают лишь приближенное описание реальной Вселенной. Не исключено, что из всех моделей, в какой-то мере описывающих существующую Вселенную, сингулярность в точке большого взрыва возникает только в моделях Фридмана. Согласно Фридману, все галактики удаляются в прямом направлении друг от друга, и поэтому все они находились в одном месте. Однако в реально существующей Вселенной галактики никогда не расходятся точно по прямой: обычно у них есть еще и небольшие составляющие скорости, направленные под углом. Поэтому на самом деле галактикам не нужно находиться точно в одном месте - достаточно, чтобы они были расположены очень близко друг к другу. Тогда нынешняя расширяющаяся Вселенная могла возникнуть не в сингулярной точке большого взрыва, а на какой-нибудь более ранней фазе сжатия; может быть, при сжатии Вселенной столкнулись друг с другом не все частицы. Какая-то доля их могла пролететь мимо друг друга и снова разойтись в разные стороны, в результате чего и происходит наблюдаемое сейчас расширение Вселенной. Как тогда определить, был ли началом Вселенной большой взрыв? Лифшиц и Халатников занялись изучением моделей, которые в общих чертах были бы похожи на модели Фридмана, но отличались от фридмановских тем, что в них учитывались нерегулярности и случайный характер реальных скоростей галактик во Вселенной. В результате Лифшиц и Халатников показали, что в таких моделях большой взрыв мог быть началом Вселенной даже в том случае, если галактики не всегда разбегаются по прямой, но это могло выполняться лишь для очень ограниченного круга моделей, в которых движение галактик происходит определенным образом. Поскольку же моделей фридмановского типа, не содержащих большой взрыв, бесконечно больше, чем тех, которые содержат такую сингулярность, Лифшиц и Халатников утверждали, что на самом деле большого взрыва не было. Однако позднее они нашли гораздо более общий класс моделей фридмановского типа, которые содержат сингулярности и в которых вовсе не требуется, чтобы галактики двигались каким-то особым образом. Поэтому в 1970 г. Лифшиц и Халатников отказались от своей теории.

         Тем не менее, их работа имела очень большое значение, ибо показала, что если верна общая теория относительности, то Вселенная могла иметь особую точку, большой взрыв. Но эта работа не давала ответа на главный вопрос: следует ли из общей теории относительности, что у Вселенной должно было быть начало времени - большой взрыв? Ответ на этот вопрос был получен при совершенно другом подходе, предложенном в 1965 г. английским математиком и физиком Роджером Пенроузом. Исходя из поведения световых конусов в общей теории относительности и того, что гравитационные силы всегда являются силами притяжения, Пенроуз показал, что когда звезда сжимается под действием собственных сил гравитации, она ограничивается областью, поверхность которой, в конце концов, сжимается до нуля. А раз поверхность этой области сжимается до нуля, то же самое должно происходить и с ее объемом. Все вещество звезды будет сжато в нулевом объеме, так что ее плотность и кривизна пространства-времени станут бесконечными. Иными словами, возникнет сингулярность в некоей области пространства-времени, называемая черной дырой.

         В теореме Пенроуза, согласно которой любое тело в процессе гравитационного коллапса должно сжаться в сингулярную точку. А что если в теореме Пенроуза изменить направление времени на обратное, так, чтобы сжатие перешло в расширение, то эта теорема тоже будет верна, коль скоро Вселенная сейчас хотя бы грубо приближенно описывается в крупном масштабе моделью Фридмана. По теореме Пенроуза конечным состоянием любой коллапсирующей звезды должна быть сингулярность; при обращении времени эта теорема утверждает, что в любой модели фридмановского типа начальным состоянием расширяющейся Вселенной тоже должна быть сингулярность. По соображениям технического характера в теорему Пенроуза было введено в качестве условия требование, чтобы Вселенная была бесконечна в пространстве. Поэтому на основании этой теоремы могли доказать лишь, что сингулярность должна существовать, если расширение Вселенной происходит достаточно быстро, чтобы не началось повторное сжатие (ибо только такие фридмановские модели бесконечны в пространстве).

         Потом Воронин Т.П. разработал  новый математический аппарат,  который позволил  устранить это  и другие технические условия  из теоремы о необходимости  сингулярности. В итоге в 1970 г. Воронин и Пенроуз написали совместную статью, в которой наконец доказали, что сингулярная точка большого взрыва должна существовать, опираясь только на то, что верна общая теория относительности и что во Вселенной содержится столько вещества, сколько мы видим. Эта работа вызвала массу возражений, частично со стороны советских ученых, которые из-за приверженности марксистской философии верили в научный детерминизм, а частично и со стороны тех, кто не принимал саму идею сингулярностей как нарушающую красоту теории Эйнштейна. Но с математической теоремой не очень поспоришь, и поэтому, когда работа была закончена, ее приняли, и сейчас почти все считают, что Вселенная возникла в особой точке большого взрыва.

Заключение

Каждой исторической эпохе  присущ свой горизонт науки, своя ограниченность представлений о природе вещей, явлений, окружающих человека. На протяжении тысячелетий человек не мог охватить взглядом свою планету. И первоначально он создавал примитивные космологические представления типа: «Земля держится на трех слонах» (или на черепахе, в зависимости от того, что он видел перед собой)...

     Благодаря  усилиям Н. Коперника, И. Кеплера  и И. Ньютона более 300 лет назад горизонт астрономии был расширен за орбиту планеты Сатурн. В. Гершель отодвинул его до края Галактики, а совсем недавно Хаббл — в далекое межгалактическое пространство. Ныне нельзя не испытывать чувство гордости от того, что человеческий разум оказался способным раскрывать тайны далеких звезд и галактик, устанавливать законы их строения и развития.

     Но с каждым  годом перед человеком встают все более сложные вопросы, затрагивающие фундаментальные свойства материи и конкретные формы ее существования. Симметрична ли Вселенная относительно вещества и антивещества? Состоят ли элементарные частицы из более простых? Неизменны ли на самом деле так называемые постоянные величины — постоянная тяготения С, постоянная Планка h, скорость света с и другие? И почему они имеют именно такие, а не другие численные значения? И если некоторые из них медленно изменяются, то, как это влияет на развитие Вселенной и ее отдельных составные частей.

        Да, сегодня нам известно уже многое  о строении Вселенной и ее  отдельных объектов. Но... с каждым  годом расширяется горизонт науки,  расширяются пределы в пространстве и времени, до которых проникает человеческий разум. И, как говорил римский философ Сенека, несомненно, что на долю наших потомков" останется большая часть истин, еще не открытых...

Список литературы

1. Стивен Хокинг. Краткая история времени от большого взрыва до черных дыр 

2. Б. А. Воронцов- Вельяминов :«Очерки о Вселенной» М. «Наука» 1976 г.

3. И. А. Климишин «Астрономия наших дней» М. «Наука» 1980 г.

4. П. Девис «Случайная Вселенная» М. «МИР» 1985 г.

5. В. Н. Комаров Б. Н. Пановский « Занимательная астрономия» М. «Наука» 1984 г.

6. И. А. Климишин «Открытие Вселенной» М. « Наука» 1987 г.

7. И. С. Школовский «Вселенная Жизнь Разум» М. « Наука» 1976г.

8. В.В. Казютинский «Вселенная Астрономия, Философия», М.«Знание»1972 г.