Расширяющейся Вселенной

Космология (буквально - наука о космосе) – это учение о Вселенной в целом, ее рассматривают и как часть астрономии, и как самостоятельную науку. В современном представлении Космос – это все то, что находится за пределами земной атмосферы, однако изначальное значение греческого слова Космос было другим. Древние греки Космосом называли порядок, гармонию, противоположностью Космосу был хаос, т.е. беспорядок. Поэтому термин «космология» представляется весьма удачным названием науки, которая направлена на поиск закономерностей, позволяющих рассматривать Вселенную как упорядоченное целое. Другая наука о Вселенной – космогония,в отличие от космологии является более узкой областью знаний, в рамках этой науки рассматриваются лишь проблемы происхождения, возникновения Вселенной и входящих в нее космических тел.

Следует отметить, что, рассматривая проблемы эволюции, тем более проблемы происхождении мира, ученые могут иметь дело только с гипотезами или моделями, а не с теориями или законами. И дело не только в том, что в глубине многомиллионной толщи веков и тысячелетий далеко не все удается рассмотреть. Для того чтобы ту или иную гипотезу можно было считать достоверной (в этом заключается один из основных принципов современного естествознания) необходима ее эмпирическая проверка. Но и этого еще недостаточно. Для того чтобы сделать заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование какого-либо изучаемого объекта, нужно провести не один эксперимент, а достаточно большое количество экспериментов, и при этом все они должны давать один и тот же результат. К Вселенной это методологическое правило неприемлемо, ибо она является уникальным объектом исследования. Поэтому все, что было и будет написано о происхождении и развитии Вселенной, Солнечной системы или каких-либо других космических тел и систем, – это всего лишь гипотезы или модели. (Строго говоря, почти все законы естествознания и все научные теории, какими бы строгими и достоверными они не выглядели, - это тоже всего лишь модели, поскольку время от времени (по мере расширения объема наших знаний о Природе и по мере совершенствования техники эксперимента) те или иные из них уточняются или заменяются другими).

Существует множество мифов о происхождении мира. Так, например, в древнеиндийских “Ведах” происхождение мира трактуется как результат распада некоего первочеловека. С появлением христианства на долгие века утвердилось представление о сотворении Богом мира из … ничего. Интересно отметить, что в некотором смысле эти мифы созвучны современным научным воззрениям, нужно лишь поменять некоторые термины. Например, термин прачеловек заменить термином правещество (или сгусток праматерии), а термин ничего заменить термином физический вакуум.

Первые попытки объяснить происхождение Солнечной системы с научной точки зрения, были предприняты в XVIII в.. В 1755 г. основоположник немецкой классической философии И. Кант в работе «Всеобщая естественная теория и история неба» изложил разработанную им гипотезу происхождения планет Солнечной системы из первоначальной туманности, вращающейся вокруг Солнца. Независимо от Канта близкую по смыслу космогоническую гипотезу в 1796 г. сформулировал известный французский физик и математик П. Лаплас. Согласно его представлениям, и Солнце, и планеты сформировались из существовавшей изначально вращающейся газовой туманности, имевшей сплюснутую форму. С течением времени эта туманность сжималась, а скорость ее вращения соответственно возрастала. За счет увеличения центробежных сил от туманности оторвались отдельные газовые кольца, из которых впоследствии путем сгущения образовались планеты, центральная же ее часть превратилась в Солнце.

Центральная идея гипотезы, вошедшей в науку как гипотеза Лапласа-

Канта, заключается в том, космические тела образуются путем постепенного

сжатия первоначально равномерно рассеянного в пространстве диффузного

вещества (космической пыли) под действием сил гравитации^*. В процессе эволюции Вселенной, согласно этой гипотезе, происходит уплотнение вещества, сопровождающееся повышением температуры - гравитационная энергия преобразуется в кинетическую и тепловую.

Современная космогония допускает формирование звезд, планет и других космических тел в соответствии с гипотезой Лапласа-Канта, но лишь на относительно поздних этапах эволюции Вселенной. Исходное же вещество Вселенной, из которого впоследствии сформировались все космические тела, в соответствии с современными представлениями, образовалось на более ранних (дозвездных) стадиях ее эволюции в процессе расширения и фрагментации первоначально сверхплотного и сверхгорячего ядра. Процесс расширения в отличие от процесса гравитационного сжатия сопровождается уменьшением температуры и плотности материи с течением времени.

^* Справедливости ради следует отметить, что данная космогоническая идея была впервые высказана И. Ньютоном, который еще в конце XVII в. предполагал, что и Солнце, и другие звезды образовались из вещества, которое прежде было равномерно рассеяно по всему объему Вселенной, за счет «врожденного тяготения» каждой частицы вещества ко всем остальным.

В основе гипотезы первоначального сверхплотного ядра, которой соответствует модель горячей расширяющейся Вселенной, выдвинутая в 1946 г. американским физиком Г. Гамовым, лежит представление о т.н. Большом Взрыве, с которого, согласно этой гипотезе, 12…18 млрд. лет назад и началась история Вселенной. Начальное сверхплотное состояние материи, из которого, как предполагается, возникла и развилась Вселенная, чаще всего называют сингулярным. Это состояние через ничтожно малую долю секунды^* (порядка 10^-43 с) после Большого Взрыва характеризуют следующими значениями параметров: плотность – 10⁹³ г/см³, температура – 10³² градусов. Важнейшим пунктом гипотезы Большого Взрыва, которая в настоящее время считается почти общепризнанной, является нестационарность Вселенной. Сама же идея о расширении Вселенной имеет долгую и сложную историю.

В 1929 году ставший впоследствии знаменитым американский астроном Э. Хаббл установил, что, чем дальше находится галактика, тем быстрее она отдаляется от нас, именно это открытие затем и было положено в основу модели расширяющейся Вселенной. Однако предположение о том, что Вселенная расширяется, было высказано примерно за сто лет до открытия Хаббла.

Ньютоновская модель статичной и бесконечной Вселенной, долгое время остававшаяся незыблемой, была подвергнута сомнению в 1826 г. шведским ученым Г. Ольберсом, сформулировавшим т.н. фотометрический парадокс. Парадокс Ольберса основан на том простом наблюдении, что ночное небо темное, а не светлое. Проанализировав этот на первый взгляд тривиальный факт, он математически доказал, что если бы Вселенная состояла из бесконечного количества звезд, равномерно распределенных по пространству, то небо постоянно должно было бы быть ярким. А поскольку ночью небо все-таки темное, он заключил, что Вселенная конечна, и первым предположил, что она расширяется, так как конечная и статичная Вселенная в соответствии с законом всемирного тяготения должна коллапсировать (непрерывно сжиматься).

Даже великий Эйнштейн, подобно Ньютону, считал Вселенную статичной, но он считал ее конечной и безграничной. Воспользовавшись своей общей теорией относительности, он предсказал, что подобная конечная и статичная Вселенная без границ (подобно поверхности Земли) возможна, но только не в трех измерениях, а в четырех. Именно Эйнштейн в начале ХХ в. заложил основы современной космологии. Созданная им модель, претендующая на описание всей Вселенной, была основана на положениях общей теории относительности (ОТО) и релятивистской теории тяготения, которые связали в единое целое пространство и время, а также материю и энергию. Согласно этим теориям пространство обладает кривизной, которая прямо связана с плотностью материи.

^* Используя известные теории вещества и тяготения, анализировать эволюцию расширяющейся Вселенной с момента времени t = 0 не представляется возможным.

Для объяснения стационарности Вселенной Эйнштейну пришлось ввести в свои уравнения гипотетическую отталкивающую силу, действие которой проявлялось лишь в космологических масштабах. Эйнштейн считал эту

отталкивающую силу необходимой для преодоления гравитационных сил притяжения, которые в противном случае должны были бы привести к коллапсу конечной и статичной Вселенной.

В 1927 году бельгийский священник и математик Ж. Леметр обнаружил новые решения уравнений Эйнштейна, допускавшие расширение Вселенной без необходимости существования космологической силы. Позже он узнал, что эти решения были найдены пятью годами раньше него петроградским физиком и математиком А. Фридманом. Именно Фридман первым обратил внимание на это следствие общей теории относительности Эйнштейна, т.е. на то, что искривленное пространство не может быть стационарным, оно должно либо расширяться, либо сжиматься.

В основу своего космологического уравнения Фридман положил постоянство во времени суммы кинетической и гравитационной потенциальной энергий произвольного распределения вещества в сферической Вселенной. Им было показано, что решающее значение на поведение Вселенной оказывает средняя плотность вещества в ней. Если эта плотность больше некоторого критического значения, то пространство имеет положительную кривизну, а его объем пульсирует - сжатие и расширение периодически сменяют друг друга. У такого мира нет границ, но его объем ограничен, т. е. он является закрытым. Если же средняя плотность вещества во Вселенной меньше критического значения, то кривизна пространства отрицательна, объем мира во времени непрерывно возрастает, соответственно сам мир является безграничным и открытым.

И в том, и в другом случае мир является нестационарным, а его геометрия - неевклидовой. Что же касается возраста мира, то, как нетрудно понять, пульсирующая Вселенная может существовать вечно, а у процесса непрерывного расширения должно быть свое начало, соответствующее некоторому сверхплотному состоянию материи и предельно малым размерам мира.

Выводам А. Фридмана поначалу не было придано должного значения, хотя их экспериментальное подтверждение, к тому времени, по сути, было уже получено. В 1917 г. (в этом году А. Эйнштейн предложил свою модель конечной Вселенной) американский астроном В. Слайфер опубликовал результаты многолетних исследований спектров излучения ⁴ 41 туманности (термин «галактика» в те годы еще не использовался). В 36 случаях Слайфер обнаружил т.н. красное смещение ⁵ линий излучения в спектрах, которое в дальнейшем было объяснено эффектом Доплера и связано с удалением других галактик от Млечного Пути. Однако о работах Фридмана и Леметра вспомнили лишь после того, как в 1929 г. Э. Хаббл установил всеобщую закономерность “разбегания” галактик. Сформулированный им закон гласил, что скорость удаления произвольной галактики v прямо пропорциональна расстоянию d до нее:

v = Hd.

Коэффициент пропорциональности Н в этом уравнении получил название постоянной Хаббла, величину этой постоянной важно знать по двум причинам. Зная Н и определив величину красного смещения z излучения какого либо далекого космического объекта, астрономы определяют расстояние до этого объекта^*:

d = v/H = сz/Н.

Кроме того, в рассматриваемой модели расширяющейся Вселенной величина 1/Н, имеющая размерность времени, используется для оценки времени, прошедшего с момента Большого Взрыва. Если предположить, что наблюдаемая картина разлета галактик имела место и в сколь угодно далеком прошлом, то, зная Н, можно оценить радиус космологического горизонта R, а значит и возраст Вселенной. Полагая, например, что Н» 2∙10^-18 с^-1 (около 62 км/с∙Мпк), и что “передний фронт” расширяющейся сферической Метагалактики постоянно удалялся со скоростью, близкой к скорости света с, получим R» с/Н» 15 млрд. световых лет.

Считается, что закон Хаббла является следствием расширения Вселенной после Большого Взрыва, который и привел к созданию пространственно-временного континуума. Красное смещение спектральных линий излучения далеких галактик, которое тем значительнее, чем дальше от нас находится светящийся объект, доказывает расширение наблюдаемой части Вселенной (Метагалактики) и подтверждает предположения Фридмана и Леметра о нестационарности Вселенной.

Модель расширяющейся Вселенной является по своей сути эволюционной, так как в ней сегодняшнее состояние и наблюдаемая структура Вселенной связываются с ее предысторией. Одновременно это означает, что 15 млрд. лет назад вся Вселенная была сосредоточена в очень малой области, называемой сингулярной точкой (сингулярностью) или “ядерной каплей”.

На современном этапе развития космологии, начало которого относят к концу 40-х годов ХХ в., физики-теоретики основное внимание уделяют процессам, которые могли происходить во Вселенной в первые секунды, минуты и часы ее истории, т. е. сразу после того, как “ядерная капля” по каким-то причинам пришла в неустойчивое состояние и взорвалась. Г. Гамов пришел к идее о горячем начале Вселенной в процессе разработки теории происхождения химических элементов из нейтронной среды. Сегодня считается доказанным, что элементы тяжелее гелия не могли быть синтезированы в процессе Большого взрыва, их синтез происходит в звездах. Однако сам гелий, который по распространенности во Вселенной уступает только водороду, и суммарная масса которого составляет треть всей массы Вселенной, согласно современным воззрениям был синтезирован в дозвездной стадии ее эволюции.

^* Хаббл установил свой закон, измеряя красное смещение спектральных линий излучения наиболее близких к нам галактик, расстояния до которых были в то время известны.

По одной из версий весь этот гелий образовался в течение двух первых минут существования Вселенной.

Первая стадия эволюции Вселенной согласно модели Большого взрыва была универсальной в том смысле, что всю материю охватывал единый процесс развития. В ходе этого процесса сначала очень быстро, а затем, постепенно замедляясь, увеличивался объем Вселенной при соответствующем уменьшении плотности материи и ее температуры. На этой стадии (в процессе непрерывного преобразования излучения в вещество и вещества в излучение) рождались и аннигилировали пары частиц вещества и антивещества. В какой-то момент по причинам, которые пока в полной мере не выяснены, возникла асимметрия, число частиц превысило число античастиц, и вещество стало накапливаться. Возник тот набор элементарных частиц и легких ядер (водород, дейтерий, тритий, гелий), который и являлся в дальнейшем строительным материалом при образовании галактик и звезд.

Постепенно вещество во Вселенной начинает преобладать над излучением и происходит его отделение от излучения, после чего Вселенная становится прозрачной для излучения. Вторая стадия эволюции Вселенной - галактическая и звездная, на этой стадии согласно рассматриваемой модели сначала (через 1-2 млрд. лет после Большого взрыва) образуются галактики и их скопления, затем внутри галактик образуются звезды, в недрах которых в результате различных термоядерных реакций образуется весь набор химических элементов, включая самые тяжелые.

Одним из наиболее весомых аргументов в защиту гипотезы о горячем начале Вселенной явилось обнаружение космического микроволнового фонового радиоизлучения, которое впоследствии по предложению И. Шкловскогобыло названо реликтовым ^*излучением. В 1965 г. американские радиоастрономы А. Пензиас и Р. Вильсон обнаружили избыточный радиошум, свойства которого не зависели от направления. И интенсивность, и спектральный состав этого фонового излучения не изменялись при изменении пространственной ориентации антенной системы радиотелескопа. На основании того, что источники этого радиоизлучения невозможно обнаружить, был сделан вывод, что его природа не связана с галактиками или звездами, и что это излучение возникло на первой догалактической стадии, когда вся Вселенная представляла собой однородный раскаленный шар. Существенно, что наличие во Вселенной подобного фонового излучения было предсказано Г. Гаммовым еще в 1946 г. По его предположению, это излучение состоит из фотонов, высвобожденных после того момента, когда в процессе расширения и остывания Вселенной ее материя разделилась на атомы и фотоны.

В ходе дальнейших многочисленных исследований было установлено, что максимум⁶ спектрального распределения плотности фонового излучения

соответствует длине волны λ ≈ 0,11 см, а сам спектр близок к спектру

^* Реликт – это то, что сохранилось с древних времен. Фоновое излучение назвали реликтовым, т.к. оно возникло очень давно – в ту эпоху, когда все вещество Вселенной было однородной горячей и плотной плазмой.

абсолютно черного тела, температура которого в соответствии с законом Вина составляет 2,7 К. Естественно, что длина волны фотонов, излученных на ранней стадии расширения Вселенной, когда ее температура составляла десятки тысяч градусов, измерялась долями микрометров, а максимум спектральной кривой излучения должен был соответствовать ультрафиолетовому участку. Увеличение длины волны реликтового излучения и соответствующее уменьшение энергии его фотонов связывают с «остыванием» фотонов и всего излучения в процессе расширения Вселенной.

Любая гипотеза так или иначе объясняет наблюдаемые явления. Однако предпочтение всегда отдается той из гипотез, с помощью которой были предсказаны какие-либо феномены, впоследствии обнаруженные экспериментально. Автором гипотезы горячей расширяющейся Вселенной Г. Гаммовым были предсказаны два таких феномена. Помимо реликтового фонового излучения, существование было предсказано задолго до его обнаружения, данная гипотеза хорошо объясняет и наблюдаемый химический состав звезд и межзвездной среды. Расчеты, проведенные Г. Гамовым, показали, что подавляющая часть (75 % по массе) вещества, образовавшегося в плотной и горячей Вселенной в первые минуты ее космологического расширения, приходится на водород, а оставшиеся 25 % - на гелий. Это очень близко к тому, что наблюдается в действительности.