Тема 8. Возникновение и эволюция Вселенной. Геологическая эволюция.

1. Современная космология. Эволюция Вселенной. Науку, изучающую эволюцию Вселенной, называют космологией. Основные задачи, которые стоят перед ней, это объяснение на основе наблюдаемых фактов и теоретических моделей происхождение Вселенной и предсказание ее будущего. Выдвигаемые модели невозможно подтвердить экспериментально из-за огромных размеров Вселенной, они могут быть подтверждены или опровергнуты лишь косвенно физико-математическими расчетами и наблюдениями.

История науки знает множество моделей эволюции Вселенной.

К концу XIX века господствовала стационарная космологическая модель Вселенной, т.е. убежденность в том, что Вселенная неизменна и бесконечна в пространстве и времени.

В начале ХХ века общая теория относительности стала причиной появления других моделей Вселенной. В 1922 г. Советский математик Александр Фридман (1888-1925) пришел к выводу: если Вселенную считать однородной и изотропной (одинаковой во всех точках и направлениях) должно наблюдаться ее непрерывное расширение или сжатие в зависимости от величины плотности материи.

Вскоре появилось подтверждение этой теории. В 1926 г. американский астроном Эрвин Хаббл (1889-1969) открыл так называемое «красное смещение» в спектрах излучения галактик. Ученые связали «красное смещение» с эффектом Доплера в физике (при наблюдении за источником света в оптические приборы: при удалении источника света наблюдается красное смещение, при его приближении – сине-фиолетовое смещение). Получалось, что все наблюдаемые объекты в космосе удаляются друг от друга, разбегаются, т.е. происходит общее, повсеместное расширение Вселенной.

Если же процесс расширения Вселенной мысленно повернуть вспять, то можно прийти к выводу, что когда-то материя во Вселенной была сосредоточена в одном первоначальном сгустке. Исследования показали, что возраст Вселенной составляет около 12 - 18 млрд. лет. Какие же размеры имела Вселенная? Как шла эволюция Вселенной?

Одна из теорий происхождения и эволюции Вселенной – это теория «Горячей Вселенной» или «Теория Большого взрыва». Эту теорию разработал Георгий Гамов (1904-1968). Он также разработал теорию альфа-распада, теорию образования химических элементов, первую модель генетического кода.

2. Теория Большого взрыва. Опираясь на научные данные почти все современные ученые-космологи полагают, что начало Вселенной положил так называемый Большой взрыв. По этой гипотезе все вещество Вселенной в момент до взрыва находилось в сгустке микроскопических размеров огромной плотности и температуры. Появление этого зародыша окутано научными спорами. Этот зародыш, послуживший началом взрыва, называют сингулярностью или сингулярной точкой. До взрыва не существовало материи, а значит ни времени, ни пространства. С первых тысячных долей первой секунды после взрыва, когда температура Вселенной была 10¹⁶-10¹⁸ К, образовались первые частицы вещества: кварки, антикварки и излучение (фотоны). В течение той же секунды из кварков и антикварков образовались протоны, антипротоны и нейтроны. В этих условиях стали частыми реакции аннигиляции. При столкновении протона и антипротона происходит реакция аннигиляции, в ходе которой обе частицы сталкиваясь взаимопогашаются, исчезают с образованием излучения (фотонов).

В описываемый момент во Вселенной преобладало излучение, так как вещество во Вселенной было очень плотно, и частицы постоянно сталкивались между собой. При высоких температурах энергии частиц, а следовательно их скорости, настолько велики, что соединение частиц в более сложные образования (атомы) просто невозможно.

К исходу первой секунды, когда температура Вселенной упала до 10 млрд градусов К, образовались и некоторые другие элементарные частицы, в том числе электрон и парная ему античастица – позитрон. К тому времени большая часть частиц аннигилировала. Так вышло, что частиц вещества было чуть больше, чем антивещества. Этот факт до сих пор нуждается в объяснении. Но, так или иначе, наша Вселенная состоит из вещества, а не из антивещества. Названия «вещество» и «антивещество» условны.

К третьей минуте из четверти всех протонов и нейтронов образовались ядра гелия. Через несколько сот тысяч лет расширяющаяся Вселенная остыла настолько, что ядра гелия и протоны смогли удерживать возле себя электроны. Так образовались атомы гелия и водорода. Вселенная стала просторнее. Излучение, не сдерживаемое больше свободными электронами, смогло распространяться на значительные расстояния. В наше время физики регистрируют это излучение, оно является микроволновым. Его называют реликтовым, его существование подтверждает теорию Большого взрыва.

При расширении, в общем, однородной Вселенной в тех или иных ее местах образовывались случайные сгущения, которые стали зачатками будущих уплотнений и центрами концентрации вещества в виде ячеистой структуры. Под действием сил гравитационного притяжения уплотнения увеличивались и начинали отставать от общего темпа расширения. Некоторые уплотнения стали вращаться и с течением времени образовали дискообразные и спиральные галактики. Другие без вращения стали эллиптическими или вообще бесформенными. В состав начального вещества для строительства галактик входили лишь водород и гелий в соотношении три к одному.

3. Теория физического вакуума. Вопрос о возникновении различных космических объектов в космосе еще окончательно не решен. Несмотря на это, уже сейчас ясно, что первоначальный плазменный сгусток, и то из чего он образовался, были особыми формами существования материи. Некоторые ученые считают, что первоначальный сгусток возник из вакуума.

Вакуум той эпохи Вселенной называют «ложным вакуумом». Он отличался от истинного тем, что обладает огромной энергией. «Ложный вакуум» обладал стремлением к гравитационному отталкиванию, обеспечивающему его раздувание. Он представлял собой симметричное, энергетически невыгодное, нестабильное состояние, что на языке физики означает стремление к распаду. Считается, что в процессе расширения из вакуумного суперсимметричного состояния Вселенная разгорелась до Большого взрыва.

С современной научной точки зрения рождение Вселенной из ничего означает ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация.

Модель «горячей Вселенной» является не единственной. В 1948 году астрофизики Х Бонди, Г.Гоулд, Ф.Хойл высказали идею: несмотря на разбегание галактик, плотность материи в данной конкретной области не меняется. Рождается новое вещество, из которого образуются новые галактики, и Вселенная выглядит неизменной,то есть число галактик в любом заданном объеме остается постоянным. Откуда же появляется материя. Для объяснения этого можно привлечь теорию физического вакуума, которая разрабатывает креативную роль вакуума.

Самые последние гипотезы астрофизиков – это мембранная теория, или М-теория. Согласно которой, существует Мультивселенная, состоящая из параллельных вселенных, а наша Вселенная одна из многих. Ученые вводят понятие множественности измерений, в частности, в 11-м измерении мембраны параллельных вселенных покрыты рябью, при столкновении параллельльные вселенные соприкасаются в разных точках. В результате происходит Большой взрыв и возникает материя.

4. Теория пульсирующей Вселенной. А.Фридман предлагал три модели расширяющейся Вселенной. Согласно первой, расширение будет происходить до определенного момента, под влиянием гравитационного притяжения расширение сменится сжатием. Закончится все должно тем же, с чего начиналось: образованием сингулярности и новым Большим взрывом. Согласно этой теории, Вселенная пульсирует.

Две другие модели А.Фридмана предсказывают бесконечное расширение Вселенной, так как пространство в этих моделях бесконечно, в одной имеет плоскую форму, в другой форму седла, тогда как в первой модели, пространство сферическое и замыкается на себе.

По современным подсчетам вещества во Вселенной для гравитационной остановки расширения не хватает. Одна из задач космологии – поиск срытой массы, неизлучающего свет вещества, которое распределено в галактиках и которое может перевешивать светящееся вещество (звезды) в десятки раз.

По современным представлениям Вселенная: однородная, изотропная, нестационарная, горячая, расширяющаяся.