Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

также началось с явления, напоминающего колоссальный взрыв

вещества, обладавшего огромной температурой и плотностью.

Так как Вселенная расширяется, естественно думать, что

раньше она была меньше и когда-то все пространство было сжато в

сверхплотную материальную точку. Это был момент так называемой

сингулярности, который уравнениями современной физики описан

быть не может. По неизвестным причинам произошел процесс,

подобный взрыву, и с тех пор Вселенная начала "расширяться".

Процессы, происходящие при этом, объясняются теорией горячей

Вселенной.

В 1965 г. американские ученые А. Пензиас и Р. Вильсон нашли

экспериментальное доказательство пребывания Вселенной в

сверхплотном и горячем состоянии, т. е. реликтовое излучение.

Оказалось, что космическое пространство заполнено

электромагнитными волнами, являющимися посланцами той

древней эпохи развития Вселенной, когда еще не было никаких

звезд, галактик, туманностей. Реликтовое излучение пронизывает

все пространство, все галактики, оно участвует в расширении

Метагалактики. Реликтовое электромагнитное излучение находится

в радиодиапазоне с длинами волн от 0,06 см до 60 см. Распределение

энергии похоже на спектр абсолютно черного тела температурой 2,7

К. Плотность энергии реликтового излучения равна 4 • 10

-13

эрг/см

максимум излучения приходится на 1,1 мм. При этом само

излучение имеет характер некоторого фона, ибо заполняет все

пространство и совершенно изотропно. Оно является свидетелем

начального состояния Вселенной.

Очень важно, что, хотя это открытие было сделано случайно

при изучении космических радиопомех, существование реликтового

излучения было предсказано теоретиками. Одним из первых

предсказал это излучение Д. Гамов, разрабатывая теорию

происхождения химических элементов, возникших в первые минуты

после Большого взрыва. Предсказание существования реликтового

излучения и обнаружение его в космическом пространстве — еще

один убедительный пример познаваемости мира и его

закономерностей.

290

Во всех развитых динамических космологических моделях

утверждается идея о расширении Вселенной из некоторого

сверхплотного и сверхгорячего состояния, называемого

сингулярным. Американский астрофизик Д. Гамов пришел к

концепции Большого взрыва и горячей Вселенной на ранних этапах

ее эволюции. Анализ проблем начальной стадии эволюции

Вселенной оказался возможным благодаря новым представлениям о

природе вакуума. Космологическое решение, полученное В. де

Ситтером для вакуума (r ~ е

), показало, что экспоненциальное

расширение неустойчиво: оно не может продолжаться

неограниченно долго. Через сравнительно малый промежуток

времени экспоненциальное расширение прекращается, в вакууме

происходит фазовый переход, в процессе которого энергия вакуума

переходит в обычное вещество и кинетическую энергию

расширения Вселенной. Большой взрыв был 15-20 млрд лет назад.

Согласно стандартной модели горячей Вселенной сверхплотная

материя после Большого взрыва начала расширяться и постепенно

охлаждаться. По мере расширения произошли фазовые переходы, в

результате которых выделились физические силы взаимодействия

материальных тел. При экспериментальных значениях таких

основных физических параметров, как плотность и температура (р ~

кг/м

и Т ~ 10

К), на начальном этапе расширения Вселенной

различие между элементарными частицами и четырьмя типами

физических взаимодействий практически отсутствует. Оно начинает

проявляться когда уменьшается температура и начинается

дифференциация материи.

Таким образом, современные представления об истории

возникновения нашей Метагалактики основываются на пяти важных

экспериментальных наблюдениях:

1.Исследование спектральных линий звезд показывает, что

Метагалактика в среднем обладает единым химическим составом.

Преобладают водород и гелий.

2.В спектрах элементов далеких галактик обнаруживается

систематическое смещение красной части спектра. Величина

291

этого смещения возрастает по мере удаления галактик от

наблюдателя.

3. Измерения радиоволн, приходящих из космоса в

сантиметровом и миллиметровом диапазонах, указывают на то, что

космическое пространство равномерно и изотропно заполнено

слабым радиоизлучением. Спектральная характеристика этого так

называемого фонового излучения соответствует излучению

абсолютно черного тела при температуре около 2,7 градуса

Кельвина.

4. По астрономическим наблюдениям, крупномасштабное

распределение галактик соответствует постоянной плотности массы,

составляющей, по современным оценкам, по крайней мере 0,3

бариона на каждый кубический метр.

5. Анализ процессов радиоактивного распада в метеоритах

показывает, что некоторые из этих компонентов должны были

возникнуть от 14 до 24 миллиардов лет назад.

12.2. Начальная стадия Вселенной

Начало Вселенной — атомы и

пустота, все же остальное

существует лишь во мнении.

Диоген

Проблема возникновения структурности мира и жизни во

Вселенной традиционно трактуется следующим образом:

окружающая нас Вселенная обладает определенными физическими

свойствами и закономерностями, познаваемыми нами. Как в таком

случае происходит эволюция Вселенной, приводящая к достаточно

сложным структурам, как зарождается и эволюционирует в такой

Вселенной жизнь? От ответа на эти во многом еще не решенные

вопросы зависят возможность существования жизни в других

областях Вселенной и в другие времена и направления ее поиска.

Любая физическая теория, например уравнение Максвелла в

электродинамике, ставит перед собой задачу дать полное

физическое описание той или иной системы, если известен

292

полный набор начальных данных, поскольку в различных

физических явлениях начальные данные различны. Но когда мы

обращаемся к космологии, которая должна описать свойства одной-

единственной системы — нашей Вселенной, вопрос о начальных

данных и фундаментальных постоянных неразрывно связан с

вопросом: почему Вселенная именно такая, какой мы ее наблюдаем.

Прежде чем подойти к ответу на этот вопрос, рассмотрим, какими

представляются современному естествознанию начальные условия

нашей Вселенной.

Наиболее важным моментом современной стандартной

космологической модели Вселенной является вопрос о свойствах

ранней Вселенной. Удовлетворительное описание свойств ранней

Вселенной дается в модели де Ситтера. Более поздние промежутки

эволюции Вселенной даются в модели Фридмана. Переход от

одного закона к другому означает радикальное изменение основных

свойств Вселенной в этот момент, изменение ее фазового состояния.

Модель экспоненциального роста размеров Вселенной де

Ситтера R exp (Ht) на начальной стадии ее эволюции получила

название модели "раздувающейся Вселенной". По этой модели, при

t > 0 вся энергия мира была заключена в его вакууме.

Деситтеровская стадия расширения длилась примерно 10

-35

с. Все

это время Вселенная быстро расширялась, заполняющий ее вакуум

как бы растягивался без изменения своих свойств. Образовавшееся

состояние Вселенной было крайне неустойчивым, энергетически

напряженным. В таких случаях достаточно возникновения

малейших неоДнородностей, играющих роль случайной затравки,

чтобы вызвать переход в другое состояние (в качестве примера

можно привести явление кристаллизации). При переходе вакуума в

другое состояние мгновенно выделялась колоссальная энергия за

счет разности его начального и конечного состояний. Примерно за

-32

с пространство раздулось в громадный раскаленный шар

размерами много большими видимой части Вселенной. При этом

произошло рождение из вакуума реальных частиц, из которых со

временем сформировалось вещество нашей Вселенной.

293

В последнее время усиленно обсуждаются причины того

"первотолчка", который был началом расширений нашей Вселенной.

Один из возможных механизмов, основанный на гипотезе о

существовании кванта единого пространства-времени, описан в

теории инфляционной Вселенной. Рассмотрим ее основные

положения и выводы.

А. Эйнштейном была выдвинута идея о существовании

космического отталкивания. Если учесть эти силы в уравнениях

динамики Вселенной, то полное ускорение оказывается равным

a = а

тяг

+ а

отт

Ускорение тяготения а

тяг

равно а

тяг

= -GM / R

, а ускорение

отталкивания а

отт

. в соответствии с гипотезой Эйнштейна

пропорционально R, т. е. а

отт

= const • R.

Числовое значение константы в этой формуле можно найти,

определив среднюю плотность вещества р во Вселенной. В

настоящее время считается, что р очень близко к 10

-29

г/см

где — космологическая постоянная, равная

-56

см

-2

Рассмотрим случай, когда во Вселенной нет вещества, она

"пуста". При этом М = 0 и а

тяг

= 0. Динамика Вселенной

описывается ускорением а

отт

. Можно показать, что при этом две

пробные частицы, помещенные в такую пустую Вселенную,

будут удаляться друг от друга по экспоненциальному закону

Согласно современным концепциям естествознания, вакуум —

не пустота, в физическом вакууме непрерывно происходят процессы

рождения и уничтожения виртуальных частиц. Это своеобразное

"кипение" вакуума нельзя устранить, ибо оно означало бы

нарушение одного из основных законов квантовой физики, а

именно, соотношения неопределенностей Гейзенберга. Как показал

академик Я. Б. Зельдович в 1967 г., в результате взаимодействия

виртуальных частиц в вакууме появляется некоторая плотность

энергии и возникает отрицательное давлени

294

Такое вакуумно-подобное состояние неустойчиво и с течением

времени оно распадается, превратившись в обычную горячую

материю. Энергия вакуумно-подобного состояния перейдет в

энергию обычной материи, гравитационное отталкивание сменится

обычной гравитацией, замедляющей расширение. С этого момента

Вселенная начнет развиваться по известной стандартной

космологической горячей модели эволюции. Рассмотрим исходные

положения этой модели и ее основные результаты. Горячая модель

Вселенной, как и любая другая, исходит из наблюдающегося в

настоящее время факта ее расширения и объясняет три достоверно

установленных факта — наличие ба-рионной асимметрии

Вселенной, космическое отношение числа фотонов к числу

барионов, примерно равное 10

, и однородность и изотропность

реликтового излучения. Теория Большого взрыва в наши дни

считается общепринятой. Согласно этой теории, наша Вселенная

развивалась из первоначального состояния, которое можно

представить в виде сгустка сверхплотной раскаленной материи.

Излучение и вещество в нем находились в тепловом равновесии. В

этой ранней Вселенной фотоны эффективно взаимодействовали с

веществом, число частиц было равно числу античастиц.

В развитии Вселенной принято выделять следующие четыре

стадии: адронная эра, лептонная эра, эра излучения и эра вещества.

Адронная эра продолжалась до t = 10

-4

с. При этом р > 10

г/см

; Т

> 10

К. Важной особенностью этой стадии является

сосуществование вещества (протонов и нейтронов) с антивеществом

(антинейтронами и др.). Причем количество частиц в единице

объема было того же порядка, что и фотонов. Основной вклад в

гравитацию давали тяжелые частицы — адроны. Они аннигилируют

с античастицами, остается лишь небольшой избыток нуклонов,

который в дальнейшем и определяет свойства нашего мира, т. е.

значения его фундаментальных мировых постоянных. Самое начало

(т. е. сингулярность) пока недоступно исследованию, так как при

этом все главные параметры Вселенной (плотность, температура и т.

п.) обращаются в бесконечность.

295

Далее (до t = 10 с) шла лептонная эра, на протяжении которой

температура уменьшается от 10

К до 5 10

К. С уменьшением

температуры более эффективными становятся процессы соединения

протонов с нейтронами и образованием дейтерия

Н, трития

Н и

изотопов

Не и

Не. Именно в это время и образуется основная часть

гелия, содержащегося в звездах и галактиках. На долю гелия

приходится около 30%, на долю водорода — около 70%, а на долю

остальных химических элементов — менее 1% массы вещества. За

счет термоядерных реакций в Галактике может образоваться около

2% гелия по массе. Поэтому основная масса гелия должна была

присутствовать в Галактике изначально. По теории горячей

Вселенной за первые 100 секунд образуется 25% Не и 75% Н, что

подтверждает и современный химический состав Метагалактики.

Эра излучения продолжалась от 10 с до 10

с, или 1 млн лет.

При этом 300 К < Т < 10

К, 10

-21

< р < 10

г/см

. Основной вклад в

гравитационную массу Вселенной давало излучение. В начале эры

закончился синтез гелия и продолжались процессы аннигиляции

электронов с позитронами. Все это время температура излучения

оставалась одинаковой с температурой вещества. Но как только

температура уменьшилась до величины Т = 3000 К, энергия фотонов

уже недостаточна для ионизации атомов водорода. Поэтому

процессы рекомбинации электронов с протонами уже не

уравновешиваются обратными процессами ионизации и происходит

"отрыв" излучения от вещества. С этого момента главную роль в

расширении Вселенной начинает играть не излучение, а вещество.

Эра вещества начинается с момента рекомбинации и

продолжается до сих пор. На ее определенном этапе и начинаются

процессы формирования галактик и звезд.

В заключение мы можем констатировать, что гипотеза

Большого взрыва позволяет удовлетворительным образом

интерпретировать все пять рассмотренных выше

экспериментальных фактов. Именно поэтому современные

представления о возникновении нашей Метагалактики основаны на

изложенной нами модели, хотя многие вопросы все еще остаются

открытыми.

296

12.3. Космологические модели Вселенной

Если бы вся Вселенная обратилась в

одно государство, то как не

установить повсюду одинаковых

законов.

Козьма Прутков

Таким образом, сейчас Метагалактика расширяется, а что будет

с ней в будущем? Теория А. А. Фридмана допускает здесь

различные возможности в зависимости от средней плотности

материи во Вселенной. При этом в зависимости от значения средней

плотности вещества во Вселенной расширение может происходить

неограниченно во времени или же со временем расширение

сменится сжатием. Эта зависимость определяется значением

критической плотности, рассчитанной из теории Фридмана и равной

Если р > р , то расширение Вселенной со временем сменится

сжатием. При этом геометрические свойства пространства

определяются сферической геометрией Римана. Эта модель

получила название закрытой (замкнутой) модели Вселенной.

Если р = р , то геометрия Вселенной евклидова и расширение

будет происходить неограниченно; такая модель получила название

стационарной модели Вселенной.

Если р < р , то геометрия Вселенной аналогична геометрии на

поверхности Лобачевского, расширение не ограничено во времени.

Модели Вселенной с р < р

кр

получили название открытой модели

Вселенной.

Внегалактическая астрономия дает среднее значение для

постоянной Хаббла, равной ; следовательно, р

кр

= 510

-30

г/см

297

Подсчеты галактик показывают, что в Метагалактике их около

. Если принять, что масса каждой из них такая же, как и у нашей

Галактики, то при размере Метагалактики около 600 Мпк средняя

плотность вещества в ней 5 • 10

-31

г/см

. Так как это значение

плотности на порядок меньше критического, то модель нашей

Вселенной описывается геометрией пространства отрицательной

кривизны, и наблюдаемое ее расширение будет носить

неограниченный характер.

При оценке средней плотности вещества в нашей Вселенной

учитывалась только наблюдаемая (излучающая) масса вещества. В

настоящее время обсуждается вопрос о существовании невидимой

массы, или скрытой массы вещества, которую трудно обнаружить

по ее излучению. Эта масса, возможно, сосредоточена в форме

маломассивных звезд малой светимости, в черных дырах или в

форме нейтрино. Учет этой невидимой массы может увеличить

значение средней плотности вещества во Вселенной.

Но является ли теория расширяющейся Вселенной

окончательным словом науки, исключающим любые другие

космологические модели? "Моделям однородной Вселенной, —

пишут ученые В. А. Амбарцумян и В. В. Казютинский, —

противостоит реальная Вселенная, фундаментальным свойством

которой является неоднородность распределения вещества.

Пренебрегать этим фактом нельзя. Отсюда следует, что модели

Вселенной, построенные на столь грубом упрощении, как

предположение об однородном распределении вещества, едва ли

стоит фетишизировать".

Ни одна частная наука, например астрономия, не знает

достоверно, каков мир в целом. Только основываясь на достижениях

всех наук, можно по этому вопросу высказывать лишь более или

менее правдоподобные предположения. Понятия неисчерпаемости и

бесконечности материи меняются с развитием науки. В настоящее

время многие ученые склоняются в пользу идеи о множественности

миров с разными фундаментальными постоянными и типами

пространств и времен.

298

выводы

1.Космологическими проблемами вынуждали заниматься

возникшие парадоксы — фотометрический, гравитационный и

термодинамический, которые были разрешены в модели

расширяющейся Вселенной. Расширение Вселенной было

установлено Э. Хабблом, сравнивая скорости разбегания,

измеренные по красному смещению в спектрах галактик расстояния

до них.

2.Эйнштейн при работе над общей теорией относительности не

знал о красном смещении в спектрах и расширении Метагалактики,

поэтому исходил из идеи о стационарной Вселенной. Уравнения,

полученные Эйнштейном, были детально исследованы де Ситтером

и Фридманом. Последний нашел три модели развития Вселенной,

определяемые средней плотностью вещества в ней.

3.Леметр связал эти модели с данными астрономических

наблюдений и пришел к проблеме "начала" из точки, а также

первоначальных условий, в которой находилась Вселенная. Эти

условия характеризуются наличием высокой температуры и

давления в сингулярности, в которой была сосредоточена материя.

Их называют Большим взрывом. Такое допущение вполне

согласуется с установлением расширения Вселенной, которое могло

начаться с некоторого момента, когда она находилась в очень

горячем состоянии и постепенно охлаждалась по мере расширения.

4.Гамов разработал модель горячей Вселенной, которую назвал

космологией Большого взрыва. Теория получила подтверждение

после открытия фонового излучения, которое осталось со времени

Большого взрыва и названо реликтовым. Так была повержена теория

стационарной Вселенной, разрабатываемая Ф. Хойлом.

5.По мере расширения и охлаждения во Вселенной

происходили процессы разрушения существовавших раньше

симметрий и возникновения на этой основе новых структур.

6.Гут и Линде разработали разные варианты первых долей

секунды после "начала", называемые моделями инфляционной, или

раздувающейся, Вселенной.

299