Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Естественно-научные arrow
Происхождение вселенной с научной точки зрения

Происхождение вселенной с научной точки зрения


Происхождение вселенной с научной точки зрения

До ХХ века считалось, что Вселенная бесконечна и неизменна во времени. Однако астрономы В. Слайфер и Э. Хаббл наблюдая за световым излучением, испущенным другими галактиками обнаружили точно такое же характерное расположение спектральных линий, что и в излучении от звезд нашей Галактики. Единственная разница состояла в том, что все линии были смещены к длинноволновому (красному) концу спектра излучения. Единственное приемлемое объяснение заключалось в том, что эти галактики уда­ляются от нас: в таком случае расстояние между греб­нями световой волны должно также увеличиваться. Ана­логичным образом, если наблюдать излучение от прибли­жающегося источника, гребни световых волн должны сгущаться, т. е. должна уменьшаться длина волны. Это явление, известно под названием эффекта Доплера.

В конце 1920-х годов Э. Хаббл установил замечательный факт, что красное смещение тем больше, чем дальше находится от нас галактика, Это означало, что галактики удаляются от нас со скоростями, примерно пропорцио­нальными расстояниям от них. Вселенная оказалась не статической, как думали раньше, а расширяющейся. Ско­рость расширения очень мала: потребуется почти 20 млрд. лет, чтобы расстояние между галактиками удвои­лось. Т.о. зная скорость расширения можно предположить, что примерно 15 млрд. лет назад вся Вселенная была сосредоточена в одной точке – это состояние вселенной называют сингулярностью. Что было до сингулярности? Было ли сжатие всего вещества и текло ли обычное время или нет? Окончательного ответа на эти вопросы пока нет.

Существует теория «Большого взрыва», которая в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных недостатков.

Общая кар­тина эволюции Вселенной и ее основные этапы в этой теории выглядят примерно так:

  • 1) В начальный момент времени (t=0) произошел взрыв.
  • 2) В «Очень ранней Все­ленной», соответствующей времени меньше одной пикосекунды (1 пс = 10-12 с). Энергия частиц в этот момент времени значительно больше тех энергий, которые к настоящему времени удалось получить на лучших ускорителях.

«Очень ранняя Вселенная» — это период, для которого мы используем экстраполяцию современных, хо­рошо установленных законов физики, хотя прекрасно по­нимаем, что надежность всякой экстраполяции не абсолютна. Но полная космологическая теория невозможна без понимания этого этапа: именно тогда формировались начальные условия, важные для всех последующих ста­дий. Сейчас мы лишь пытаемся реконструировать эти начальные условия по современным наблюдательным дан­ным. Существуют два подхода к этой проблеме. Первый — реконструкция начальных условий по современной карти­не Вселенной. Второй — получение начальных условий из общих принципов и уравнений физики. Второй подход более фундаментален, но и связан с большим риском допустить ошибку.

  • 3) Следующая после первой секунды фаза эволюции Все­ленной — эра радиационно-доминированной плазмы, заканчивающаяся через 100 тыс. лет. Предполагая однородность Вселенной и принимая темп расширения согла­сованный с современной ситуацией, мы можем рассчитать все процессы, происходящие в этот период. Наиболее важ­ными среди них являются аннигиляция частиц и античастиц (т.е. их взаимное уничтожение с образованием других частиц) и нуклеосинтез (т.е. образование водорода и гелия). То, что результаты наблюдений количества водорода, гелия и других ядер совпали с тем, что было предсказано теорией нуклеосинтеза,— наибольший успех теории «Большого взрыва».
  • 4) В процессе расширения Вселенной излучение и плаз­ма медленно остывают. Четвертый период начинается, когда электроны и протоны образуют нейтральный водород. Мы называем этот период «прозрачной эрой»: почти все фо­тоны, имеющиеся в начальный момент периода «прозрач­ной эры» или позже, без столкновений достигают настоящего времени. Эти фотоны называются реликтовым излучением. Наблюдая удаленные объекты, мы видим Все­ленную такой, какой она была когда-то очень давно. (В частности, наблюдая космическое радиоизлучение, мы видим плазму в последний момент существования иони­зованного водорода.) Именно в течение четвертого периода происходит образование наблюдаемой в настоящее время структуры Вселенной; речь идет о превращении почти однородного газа в звезды, сосредоточенные в галактиках, и о распределении галактик в пространстве.

Относительно будущей судьбы Вселенной, расширяю­щейся, начиная с «особой точки», есть два варианта. Какой из вариантов будет на самом деле, зависит от средней плотности космической материи в на­стоящую эпоху.

Если средняя плотность будет меньше критической, то Вселенная будет бесконечно расширяться. Спустя 100 триллионов лет остынут все звезды, которые по массе намного меньше нашего Солнца. Хотя взаимное сближение звезд - явле­ние довольно редкое, тем не менее в течение последую­щих 1000 триллионов лет количество таких случайных гравитационных взаимодействий будет предостаточно, чтобы оторвать все планеты от их «материнских» звезд. Когда же минует 1 000 000 триллионов лет, очередь дой­дет и до звезд, подавляющее большинство которых покинет периферии галактик, а галактические ядра в ре­зультате гравитационного сжатия образуют гигантские черные дыры, превышающие по массе миллионы солнц. Такие же черные дыры, но еще более массивные возник­нут и в центрах бывших скоплений галактик. А вымершие планеты и другие типы малых небесных тел по истечении 10500 лет перейдут в совершенно новое физическое со­стояние: их вещества превратятся в железо. Но это еще не все. Спустя 101027 лет жидкие сферические железные капли, пришедшие на смену звезд и планет, тоже пре­вратятся в черные дыры...

Не излагая других теоретических выкладок, касаю­щихся последующих, невообразимо отдаленных во вре­мени этапов эволюции физической Вселенной, ограни­чимся двумя замечаниями методологического характера.

Во-первых, обрисованная выше эволюционная карти­на воспроизведена в рамках классической общей теории относительности, В контексте же грядущей квантово-гра-витационной теории многое может предстать в ином, возможно, менее мрачном свете.

Во-вторых, исходя из опыта развития физики черных дыр, можно утверждать, что изложенные теоретические представления о «конечной судьбе» Вселенной носят лишь предварительный, во многом гипотетический харак­тер. А потому некоторые из них могут быть подвергнуты существенному уничтожению в рамках создаваемых ныне квантовой космологии и единой теории, нацеленной на включение в будущем и гравитации. В самом деле, пред­ставление о том, что через 101027 лет все возможные физические тела, включая элементарные частицы, пре­вратятся в излучение, основано на гипотетическом допу­щении, что стабильность известных типов элементарных частиц ограничена во времени и что они постепенно рас­падутся на кванты излучения и нейтрино. Однако этот вопрос сам по себе остается открытым. Во всяком случае в нем еще много гипотетического, нуждающегося в дальнейшем теоретическом и особенно эксперимен­тальном физическом обосновании.

В-третьих, на достигнутом к настоящему времени уровне эмпирико-астрономического знания вопрос о на­правлении и характере эволюции Вселенной в отдален­ном будущем в принципе остается открытым: современ­ная космология еще не может утверждать с полной уве­ренностью, чем кончится ныне наблюдаемое расширение астрономической Вселенной. Хотя многие современные космологи высказываются именно за этот вариант, однако существуют не менее веские ар­гументы и в пользу пространственно замкнутой пульси­рующей модели. Так, ряд ведущих астрофизиков полага­ют, что во Вселенной кроме видимого вещества может существовать и много невидимой материи, учет которой существенно изменит общую оценку средней плотности космологического субстрата. Это значит, что Вселенная про­странственно замкнута, а потому со временем ее нынеш­нее расширение сменится сжатием.

Что касается возможности космологического обоб­щения идеи круговорота материи, то мы имеем в виду следующее. Сейчас в связи с откры­тиями в нейтринной физике чаша весов вновь стала скло­няться в сторону пульсирующей модели, согласно кото­рой наблюдаемое ныне расширение Вселенной через не­сколько десятков миллиардов лет должно смениться обратным процессом - сжатием, а спустя примерно 100 миллиардов лет она вновь «исчезнет» в пучине реля­тивистского пространства и времени. В рамках данной модели круговорот материи приобрел бы новое измере­ние. Следовало бы поставить вопрос уже не о кругово­роте составных частей Вселенной, а о круговороте самой Вселенной в целом, в ходе которого возникали и исчеза­ли бы не просто отдельные миры (Земля, Солнечная система или Галактика), а вся Вселенная, как она предстает в зеркале современного астрономического познания.

Не означает ли описываемый вариант круговорота космической материи бесконечного повторения одного и того же?

Напротив, как показывают теоретические выкладки, каждый новый цикл эволюции пульсирующей Вселенной может иметь в качестве начальных условий свой набор элементарных частиц с присущими им особыми физиче­скими свойствами; различные значения могут иметь так­же фундаментальные константы, входящие в математи­ческую структуру физических законов эволюционирую­щей Вселенной.

Прогресс в понимании возникновения, развития и структуры Вселенной очень быстрый. Не исключено, что в ближайшие годы будут сделаны открытия, которые еще раз коренным образом изменят наши представления о Вселенной в целом.

Литература:

  • 1) «Прошлое и будущее вселенной», составитель Н.Д. Морозова, Москва, «Наука»,1986.
  • 2) «Беседы о вселенной», Акбар Турсунов, Москва, Издательство политической литературы, 1984.
  • 3) Сайт http://myfsoy.narod.ru
 
Оригинал текста доступен для загрузки на странице содержания
 

Предметы
Гуманитарные
Естественно-научные
Технические
Экономические
Юридические