3.Эволюция Вселенной

Основные концепции космологии.

Вселенная — самая крупная материальная система. Ее происхож­дение интересует людей еще с древних времен. В на­чале Вселенная была «безвидна и пуста» (Быт. 1, 2},— так сказано в Библии. Сначала был вакуум — уточняют современные физики. Каковы же истоки происхожде­ния Вселенной? Как она развивается? Каковы причи­ны ее возникновения? На эти и другие вопросы пыта­лись ответить ученые разных времен. Однако получить полностью исчерпывающие ответы на них до сих пор не удалось, В этой связи нельзя не вспомнить слова известного поэта М. Волошина:

«Мы, возводя соборы космогонии, Не внешний в них отображаем мир, А только грани нашего незнанья».

Тем не менее принято считать, что основные по­ложения современной космологии— науки о строе­нии и эволюции Вселенной — начали формироваться после создания в 1917 г. А. Эйнштейном первой реля­тивистской модели, основанной на теории гравитации и претендовавшей на описание всей Вселенной. Эта модель характеризовала стационарное состояние Все­ленной и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной.

Важный шаг в развитии космологии сделал в 1922 г. профессор Петроградского университета А.А. Фридман (1888—1925). В результате решения космологических уравнений он пришел к выводу: Вселенная не может находиться в стационарном состоянии — она должна расширяться либо сужаться.

Следующий шаг был сделан в 1924 г., когда в об­серватории Маунт Вилсон в Калифорнии американ­ский астроном Э. Хаббл (1889— 1953) измерил рассто­яние до ближайших галактик (в то время называемых туманностями) и тем самым открыл мир галактик. В 1929 г. в той же обсерватории Э. Хаббл по красно­му смещению линий в спектре излучения галактик экспериментально подтвердил теоретический вывод А.А. Фридмана о расширении Вселенной и установил эмпирический закон — закон Хаббла: скорость уда­ления галактики V прямо пропорциональна расстоя­нию r до нее, т. е.

V = Hr,

где H — постоянная Хаббла.

С течением времени постоянная Хаббла постепен­но уменьшается — разбегание галактик замедляется. Но такое уменьшение за наблюдаемый промежуток вре­мени ничтожно мало. Обратной величиной постоянной Хаббла определяется время жизни (возраст) Вселенной.

Из результатов наблюдения следует, что скорость разбегания галактик увеличивается примерно на 75 км/с на каждый миллион парсек (1 парсек равен 3,3 свето­вого года; световой год— это расстояние, проходимое светом в вакууме за 1 земной год). При данной скоро­сти экстраполяция к прошлому приводит к выводу: возраст Вселенной составляет около 15 млрд лет, а это означает, что вся Вселенная 15 млрд лет назад была со­средоточена в очень маленькой области. Предполага­ется, что в то время плотность вещества Вселенной была сравнимой с плотностью атомного ядра, и вся Вселен­ная представляла собой огромную ядерную каплю. По каким-то причинам ядерная капля оказалась в неустой­чивом состоянии и взорвалась. Это предположение лежит в основе концепции большого взрыва.

Произведением времени жизни Вселенной на ско­рость света определяется радиус космологического го­ризонта — граница познания Вселенной посредством астрономических наблюдений. Информация об объек­тах за космологическим горизонтом до нас еще не дош­ла — мы не можем заглянуть за космологический гори­зонт. Несложный расчет показывает, что радиус кос­мологического горизонта равен приблизительно 10²⁶ м. Очевидно, что этот радиус ежесекундно увеличивает­ся примерно на 300 тыс. км. Но такое увеличение нич­тожно мало по сравнению с величиной радиуса кос­мологического горизонта. Для наблюдения заметного расширения космологического горизонта нужно по­дождать миллиарды лет.

В концепции большого взрыва предполагается, что расширение Вселенной происходило с одинаковой скоростью, начиная с момента взрыва ядерной капли. В настоящее время обсуждается и другая гипотеза — гипотеза пульсирующей Вселенной: Вселенная не все­гда расширялась, а пульсирует между конечными пре­делами плотности. Из нее следует, что в некотором прошлом скорость удаления галактик была меньше, чем сейчас, и были периоды, когда Вселенная сжима­лась, т, е. галактики приближались друг к другу и с тем большей скоростью, чем большее расстояние их раз­деляло.

По мере развития естествознания и особенно ядерной физики выдвигались различные гипотезы о

физических процессах на разных этапах космологичес­кого расширения. Одна из них предложена в конце 40-х годов XX в. Г.А. Гамовым (1904— 1968), физиком-тео­ретиком, эмигрировавшим в 1933 г. из Советского Союза в США, и называется моделью горячей Вселен­ной. В ней рассмотрены ядерные процессы, протекав­шие в начальный момент расширения Вселенной в очень плотном веществе с чрезвычайно высокой тем­пературой. По мере расширения Вселенной плотное ве­щество охлаждалось.

Из этой модели следуют два вывода:

- вещество, из которого зарождались первые звез­ды, состояло в основном из водорода (75 %) и ге­лия (25 %);

- в сегодняшней Вселенной должно наблюдаться слабое электромагнитное излучение, сохранившее память о начальном этапе развития Вселенной, и поэтому названное реликтовым.

С развитием астрономических средств наблюде­ния и, в частности, с рождением радиоастрономии, появились новые возможности познания Вселенной. В 1965 г. американские астрофизики А. Пензиас (р. 1933) и Р. Вильсон (р. 1936) экспериментально об­наружили реликтовое излучение, за что были удос­тоены в 1978 г. Нобелевской премии. Реликтовое из­лучение — это фоновое изотропное космическое из­лучение со спектром, близким к спектру излучения абсолютно черного тела с температурой около 3 К. Оно наблюдается на волнах длиной от нескольких миллиметров до десятков сантиметров.

В 2000 г. сообщалось: сделан важный шаг на пути понимания самого раннего этапа эволюции Вселенной. В лаборатории Центра европейских ядерных исследо­ваний в Женеве получено новое состояние материи — кварк-глюонная плазма. Предполагается, что в таком состоянии Вселенная находилась в первые 10 мкс пос­ле большого взрыва. До сих пор удавалось охаракте­ризовать эволюцию материи на стадии не ранее трех минут после взрыва, когда уже сформировались ядра атомов.

Образование объектов Вселенной. В 1963 г. на очень больших расстояниях от нашей Галактики, на границе наблюдаемой Вселенной, обнаружены удиви­тельные объекты, получившие название квазаров. При сравнительно небольших размерах (поперечник их составляет несколько световых недель или месяцев) квазары выделяют колоссальную энергию, примерно в 100 раз превосходящую энергию излучения самых гигантских галактик, состоящих из десятков и сотен миллиардов звезд. Какие физические процессы могут приводить к выделению столь грандиозного количе­ства энергии, пока неясно.

Астрономы обратили внимание на определенное сходство между квазарами и активными ядрами неко­торых галактик. Квазары — весьма удаленные объек­ты. А чем дальше от нас находится тот или иной кос­мический объект, тем в более отдаленном прошлом мы его наблюдаем, что обусловливается конечной скоро­стью распространения электромагнитного излучения, в том числе и света. Хотя скорость света велика — около 300 тыс. км/с, но даже при такой огромной ско­рости для преодоления космических расстояний не­обходимы десятки, сотни и даже миллиарды лет. Мы наблюдаем объекты Вселенной — Солнце, планеты, звезды, галактики— в прошлом. Причем различные объекты — в разном прошлом. Например, Полярную звезду— такой, какой она была около шести веков назад. А галактику в созвездии Андромеды мы наблю­даем с опозданием на 2 млн лет.

Квазары удалены от нас на миллиарды световых лет. Галактики с активными ядрами в среднем рас­положены ближе. Следовательно, они принадлежат объектам более позднего поколения, т. е. образовались после рождения квазаров. Возникает вопрос: не явля­ются ли квазары протоядрами будущих галактик, теми «зародышами», вокруг которых впоследствии сформи­ровались десятки и сотни миллиардов звезд — звезд­ные острова Вселенной? При попытке ответить на эти вопросы родилась гипотеза о черных дырах. Сущность ее заключается в следующем. Если некоторая масса вещества оказывается в сравнительно небольшом объеме, критическом для нее, то под действием сил собственного тяготения такое вещество начинает не­удержимо сжиматься. Наступает своеобразная грави­тационная катастрофа— гравитационный коллапс.

В результате сжатия растет концентрация вещества. Наконец наступает момент, когда сила тяготения на ее поверхности становится столь велика, что для ее преодоления надо развить скорость, превосходящую скорость света. Такие скорости практически недости­жимы, и из замкнутого пространства черной дыры не могут вырваться ни лучи света, ни частицы материи . Излучение черной дыры оказывается «за­пертым» гравитацией. Черные дыры способны толь­ко поглощать излучение. На рисунке изображена во­ображаемая картина прохождения лучей вблизи черной дыры. Луч, проходящий на близком рассто­янии от нее, поглощается, а более отдаленные лучи искривляются.

Предполагается, что образование черных дыр во Вселенной происходит различными путями. Например, они могут возникать в результате сжатия массивных звезд на заключительных стадиях их жизни или вслед­ствие концентрации вещества в центральных частях достаточно массивных звездных систем. В частности, в ядрах галактик и квазарах могут находиться сверх­массивные черные дыры.

Результаты наблюдения галактики М —87 позво­ляют предполагать, что в непосредственной близос­ти от ее центра сконцентрирована слабосветящаяся масса, превосходящая 5 млрд солнечных масс. Похо­жие результаты получены и для других галактик. Может быть, это и есть гигантские черные дыры или какие-то другие сверхплотные образования пока не­известной природы. Существование черных Дыр следует из общей теории относительности, и об их астрономическом открытии говорить не приходит­ся. Совершенно другой точки зрения на данную проблему придерживаются известный российский специалист в области квантовой теории поля, выда­ющийся ученый, академик РАН А.А. Логунов (р. 1926) и его последователи. Исходя из понимания гравита­ции как проявления реального физического поля, а не как следствия искривления пространства - време­ни в соответствии с общей теорией относительности, ученые находят логическое объяснение наблюдае­мым в мегамире явлениям, не прибегая к понятию черной дыры.

Сравнительно недавно основные положения кос­мологии базировались на идеях классической физики. Развитие рассматривалось как медленный и плавный процесс перехода от одного стационарного состояния к другому. Считалось, что звезды постепенно рассеивают свое вещество, и оно накапливается в виде гигантских туманностей. Туманности сгущаются в звезды и т.д. Однако наблюдения последних десятилетий свидетель­ствуют и о другом: в развитии материи во Вселенной играют определенную роль и нестационарные процес­сы, в частности, взрывные процессы. Можно предпола­гать, что нестационарные процессы представляют собой своеобразные поворотные пункты в развитии космичес­ких объектов, где совершаются переходы из одного ка­чественного состояния в другое, образуются новые не­бесные тела - происходит самоорганизация Вселенной.

Вопрос об образовании космических объектов в ре­зультате нестационарных процессов и о самооргани­зации Вселенной еще окончательно не решен. Кроме того, одна из важных проблем современного естествоз­нания состоит в том, чтобы установить, в каком физи­ческом состоянии находилось вещество до начала рас­ширения Вселенной. Видимо, это было состояние чрез­вычайно высокой плотности. Для описания явлений, происходящих при столь высокой плотности, современ­ные фундаментальные физические теории, к сожале­нию, неприменимы. При таких условиях проявляются не только гравитационные, но и квантовые эффекты, характерные для процессов микромира, А теории, кото­рая объединяла бы их, пока нет — ее предстоит создать.

Одно из предположений, следующих из концепции самоорганизации, заключается в том, что первоначаль­ный сгусток материи возник из физического вакуума. Физический вакуум, как уже отмечалось,— своеобраз­ная форма материи, способная при определенных ус­ловиях «рождать» вещественные частицы без наруше­ния законов сохранения материи и движения,

Последние столетия принесли немало открытий, приблизивших человечество к тайнам рождения Вселен­ной. Все известные к настоящему времени концепции эволюции Вселенной, в том числе основанной на само­организации, носят гипотетический характер. Какие же причины могли привести к образованию упорядоченной структуры Вселенной? На этот и другие вопросы пока нет ясных и понятных ответов. «Сколько бы миллионов раз ни бросать кубик с буквами, строчки стихов из них никак не получатся. А вселенная, которая окружает нас, гораздо сложнее, чем самая сложная машина и полна гораздо большего смысла, чем самое глубокомысленное стихотворение», — утверждал в древние времена Цице­рон (106 — 43 до н. э.), римский оратор и писатель.

Вселенная в широком смысле — это среда нашего обитания. Поэтому важно помнить: во Вселенной гос­подствуют необратимые физические процессы, и она изменяется с течением времени, находится в постоян­ном развитии. Человек приступил к освоению космоса, вышел в открытое космическое пространство. Наши свершения приобретают все больший размах, глобальные космические масштабы. И для того чтобы учесть их близкие и отдаленные последствия, те изме­нения, которые они могут внести в среду нашего оби­тания, мы должны изучать не только земные, но и кос­мические явления и процессы.