Космологические и космогонические представления современного естествознания

Пульсирующая модель. В  этой модели в некоторый «нулевой»  момент космологического времени масштабный фактор равен нулю, то есть Вселенная  представляет собой некоторую сингулярную  точку. С нулевого момента он начинает возрастать, достигает максимального  значения и снова уменьшается  до нуля. Так же изменяется и расстояние между галактиками во Вселенной, соответствующей этой модели.

Закрытая модель: масштабный фактор увеличивается от нуля до определенного  максимального значения, достигаемого в бесконечно удаленном будущем.

Модель Лемэтра: масштабный фактор увеличивается от нуля неограниченно, однако на протяжении долгого времени он остается почти постоянным.

Модель Эйнштейна —  де Ситтера: начавшееся однажды расширение продолжается неограниченно (это расширение происходит с замедлением).

Замкнутая Вселенная, в которой  возможны еще два других варианта эволюции Вселенной: а) «стационарный  мир» Эйнштейна и б) модель Эддингтона - Леметра, масштабный фактор которой равен определенному конечному значению в бесконечно удаленном прошлом и неограниченно возрастает в будущем.

И, наконец, отметим еще  так называемую модель де Ситтера: в данном случае масштабный фактор является экспоненциальной функцией времени. Эта модель «стационарной Вселенной», в которой, несмотря на расширение, плотность поддерживается постоянной за счет непрерывного «творения» вещества из особого «энергетического поля». Эта модель много лет развивалась английским астрофизиком Фредом Хойлом.

 Теоретически, на основании  уравнений теории Эйнштейна, можно  построить около двух десятков  моделей Вселенной, но какая же на самом деле из моделей реализуется, астрофизикам пока не удалось выяснить. Но история этого вопроса уже почти столетняя по времени. В 1912 г. американский астроном Вместо Слайфер начал измерять лучевые скорости спиральных туманностей, руководствуясь следующими соображениями. Если эти туманности находятся за пределами Галактики, то они не принимают участия в ее вращении, а поэтому их лучевые скорости будут свидетельствовать о движении Солнца в Галактике. На протяжении нескольких лет Слайфером и тоже американским астрономом Эдвином Хабблом, проводившим независимые измерения, были получены спектры 41 объекта. Оказалось, что в 36 случаях линии в спектрах туманностей смещены в красную сторону.

 Представлялось наиболее  естественным (это была мысль  Хаббла) объяснить этот сдвиг  эффектом Доплера — движением  туманностей от наблюдателя. В  самом деле, в данном случае  отношение прироста длины волны  к самой длине волны связано  со скоростью движения туманности. Следовательно, туманности удаляются  от наблюдателя и их скорости, измеряемые тысячами и десятками  тысяч км/с, значительно превышают скорость Солнца вокруг центра Галактики, равную всего 250 км/с. Хотя этот факт наблюдают астрономы на нашей Земле, в нашей Солнечной системе, в нашей Галактике, но это вовсе не значит, что мы расположены в центре Вселенной — от любой другой точки Вселенной галактики разбегаются точно так же. Разбегание — результат общего расширения Вселенной. Убедиться в этом можно на весьма простом примере. Возьмем резиновую нить и завяжем на ней узлы. Растянем нить вдвое. В результате этого и расстояния между каждыми соединенными узлами также увеличится вдвое. При этом каждый из узлов является равноправным, и по отношению к нему скорость других узлов при растягивании нити была бы тем больше, чем дальше они находились бы друг от друга. Другой пример — с раздувающимся резиновым шариком, на поверхность которого равномерно нанесены выделяющиеся на его фоне точки. При разрастании объема шарика скорость разбегания точек друг от друга будет тем больше, чем больше между ними расстояние. Кстати, на поверхности такого шарика, как модели Вселенной, невозможно найти и центр, его попросту нет. Аналогичным образом ведет себя и мир галактик. Разница лишь в том, что он трехмерный, тогда как нить или поверхность шарика имеет всего одно или два измерения.

Теперь можно снова  вернуться к возможному сценарию дальнейшей судьбы нашей Вселенной, которая зависит от величины средней  плотности вещества во Вселенной  и которую оказалось возможным  оценить после открытия Хабблом  закона разбегания галактик. Им был  установлен следующий закон, связывающий  скорости и расстояния между галактиками: v = HR. В этом законе и — скорость разбегания галактик, R — расстояние между галактиками, коэффициент пропорциональности между ними Н принято называть постоянной Хаббла. Ее современное среднее значение Н = 65 км/с/Мпк. Численная величина постоянной Хаббла имеет принципиальное значение для определения критической плотности вещества и при указанной выше величине она оказывается равной 

Видим, что средняя плотность  вещества во Вселенной численно меньше критической, так что, если бы не существовало никаких не обнаруженных форм материи  во Вселенной, а о них мы сегодня  говорим, тогда «наш сценарий» эволюции Вселенной определялся бы гиперболой, т. е. Вселенная расширялась бы неограниченно  долго. Но сейчас следует воздержаться от таких категоричных заявлений.

Парадокс красного смещения. На протяжении нескольких десятилетий  во второй половине XX века некоторые  астрономы и физики стремились найти  какое-то другое объяснение красному смещению. В частности, они усматривали  в этом проявление каких-то еще неизвестных  сегодня закономерностей. Так, отец антимира Поль Дирак предположил, например, что эффект красного смещения мог  бы иметь место, если бы во Вселенной  существовало вековое изменение  абсолютной длительности единицы времени. Речь идет, конечно, не об изменении  длительности привычной для нас  секунды, связанной со скоростью  вращения Земли вокруг своей оси. Имеется в виду изменение ритма  всех процессов во Вселенной —  скоростей термоядерных реакции  в звездах, радиоактивного распада  и т. д. Красное смещение в спектрах галактик могло бы иметь место  и при изменении со временем величины скорости света, а также при уменьшении энергии кванта в процессе его  путешествия в межгалактическом пространстве. Но если энергия кванта в процессе этого движения не передается ничему, то ее уменьшение (увеличение длины  волны) может иметь место лишь при нарушении закона сохранения энергии. Если же квант теряет часть своей энергии, передавая ее другим фотонам или частицам среды, то при этом акте направление его движения изменится. Поэтому изображения других галактик должны быть тогда размытыми (расплывчатыми), и тем более размытыми, чем дальше эта галактика находится. На самом же деле изображения как близких, так и далеких галактик достаточно четкие. Поэтому гипотеза «старения квантов» была отвергнута (вспомним, что, согласно Попперу, наука это исключение фальшивых гипотез). Упомянутые две другие возможности (изменение ритма времени или скорости света) вообще не могут быть проанализированы всерьез в рамках сегодняшней теоретической физики. Что есть или что такое время? Почему скорость света в вакууме является постоянной и максимальной из всех возможных? Существует ли какая-нибудь связь между гравитацией и электромагнитными свойствами вещества? Это все глобальные проблемы современности. Все они, очевидно, будут решены лишь в будущих, более совершенных теориях пространства, времени и взаимодействий.

Сегодня «разбегание» галактик принимается как реальный факт. На этой основе можно построить общую  картину развития наблюдаемой Вселенной. Огромное большинство галактик светит настолько слабо, т. е. они так  далеки, что никаких отдельных  объектов в них различить нельзя. Но наблюдения показывают, что увеличение красного смещения галактик сопровождается уменьшением их яркости. Это является доказательством того, что в действительности происходит расширение наблюдаемой  нами Вселенной. Но здесь речь идет, скорее, не о движении галактик в  пространстве, а о расширении, творении самого пространства. Расстояния до галактик измеряются миллионами и миллиардами  световых лет. Это значит, что мы видим их не такими, какими они являются сейчас, а какими они были миллионы и миллиарды лет назад. Углубляясь все дальше и дальше в пространство Вселенной, астрономы тем самым  встречаются с все более и  более молодыми объектами! Мы тем  самым, по существу, видим прошлое  вещества, прошлые эпохи Вселенной.

Парадоксы расширяющейся  Вселенной. Парадоксальным является, прежде всего, само красное смещение, так  как его космологическая природа  не столь очевидна, какой она представляется в земных условиях. Выше указывались  возможные причины объяснения этого  интересного эффекта, но они обычно отвергаются на том основании, что  их природа физически гипотетична, как и сам феномен взаимодействия космологического излучения с другими  видами материи.

Так, по данным наблюдения квазаров, красное смещение, выражаемое в относительной  величине, достигает аномально высоких  значений (2,5-2,8), хотя, по сути, оно не могло бы быть больше 1. Это потому, что если эту аномалию объяснять  только эффектом Доплера, то скорость квазаров превосходит скорость света  на указанные величины. Ясно, что  это вступает в противоречие с  постулатами специальной теории относительности. Чтобы исключить  его, часть красного смещения надо списать  на гравитацию. Однако здесь не ясно, на какую из возможных гравитаций — либо на локальную (т. е. гравитацию самого квазара), либо на вселенскую, встречающуюся на пути луча к нам, или на ту и другую вместе следует ориентироваться в этом вопросе. Безупречных теоретических подсказок здесь нет. А сами галактики, обнаруженные в глубинах Вселенной, движущиеся со скоростями около половины Скорости света и более, откуда они приобрели такую чудовищную кинетическую энергию, сопоставимую с энергией их массы покоя, рассчитываемую по эйнштейновской формуле Е = тс2?

Не столь физически  прозрачен и феномен перехода всей материи в единственную точечную сингулярность, из которой якобы  произошел «большой взрыв». Кроме  того, английский физик и космолог Стивен Хокинг в 1974 г. показал возможность «испарения» черных дыр в результате туннельного просачивания (туннелирования) частиц во внешнее пространство через потенциальный барьер. Возникают противоречия при объяснении самого феномена расширения Вселенной, о котором мы уже знаем. Если расширение — действительный физический процесс (т. е. наглядный, как бы нам хотелось), то оно происходит либо за счет «вторжения» в вакуум типа псевдоевклидова пространства Минковского, либо в пространство других космических систем Вселенной (мы-то свою наблюдаемую Вселенную называем Метагалактикой). Существование абсолютного вакуума (не физического вакуума, понятие о котором мы обсуждали ранее) нельзя допускать, ибо пространство есть атрибут (неотъемлемая принадлежность) материи и вне нее не существует. Остается допустить вторжение во внутренние пространства других систем, которые сами могут как сжиматься, так и расширяться, развиваясь по собственным законам.

 Если же встать на  точку зрения, что само пространство  как бы создается в процессе  расширения (процессе «разбухания», как иногда говорят и пишут), в том смысле, что с течением  времени увеличивается расстояние  между любыми точками и изменяется  геометрия пространства, то мы  опять приходим к противоречию. Именно все это должно было  бы сопровождаться увеличением  размеров всех материальных систем: элементарных частиц, атомов, планет, звезд, галактик, всех в равных  пропорциях. Вот этого-то и не  замечено пока экспериментально, слишком малы эффекты. Так что  проблемы есть, не разрешены современной  наукой и остаются как «подарок»  будущим поколениям ученых.

Космогоническая гипотеза Леметра, гипотеза Гамова «горячей сингулярности», «большой взрыв» и ранние эпохи образования Вселенной

 Как уже отмечалось, наша Метагалактика не стационарна,  поскольку непрерывно изменяется, в прежние времена (если кому  было наблюдать) она выглядела  иначе, и не будет находиться  в нынешнем виде вечно —  она имела начало и должна  иметь конец своего, существования  (таковы современные представления  об эволюции Вселенной).

 Около двадцати или  десяти миллиардов лет назад  (где-то в этом интервале времен) вещество, из которого сегодня  состоят галактики, было сконцентрировано  до очень больших плотностей  в некоторой, так называемой, покоящейся  сингулярной точке. В современную  эпоху наблюдаемые скорости тогда  образовавшихся галактик достигают  и сотен, и двух сотен тысяч  км/с, т. е. скорости их движения  оказываются сравнимыми со скоростью  света. Создается впечатление,  что когда-то в те давние  времена произошел гигантский  по мощи взрыв этой сингулярной  области (говорят об этом совершенно  в условном смысле, а не в  прямом толковании взрыва), который  и явился началом развития  Метагалактики (если угодно, Вселенной)  к ее современному состоянию.  Такой взгляд на начало мира  оказался приемлемым многим ученым, гипотеза эта получила всеобщее  признание и была названа гипотезой  Большого взрыва (по англ. — Big Bang). В варианте холодной сингулярности она принадлежит французскому космологу аббату Жоржу Лемэтру (1894-1966), ставшему впоследствии президентом Ватиканской академии наук, а в варианте горячей сингулярности — великому русскому ученому Георгию Гамову (1904-1968).

 Вопрос о том, в  каком состоянии была сингулярность  тогда, далеко не праздный. От  физического состояния вещества  существенно зависит возраст  Вселенной. Кроме того, при высоких  температурах (миллионах и миллардах градусов) могут протекать термоядерные реакции. Поэтому химический состав «горячей» Вселенной может быть существенно другим, чем «холодной». А от химического состава зависят размеры и светимость звезд, темпы их эволюции. На протяжении нескольких десятилетий обе модели (холодная и горячая) существовали в космологии равноправно. Каждая из них имела свои привлекательные стороны и свои недостатки, своих сторонников и своих критиков. Не хватало лишь подтверждения наблюдениями. Так вот, подтверждения такие последовали, и о них мы будем писать в следующем пункте.

 Итак, по современным  воззрениям, Вселенная возникла  в результате стремительного  расширения, если угодно, взрыва, сверхплотного  горячего вещества, обладавшего  сверхвысокой температурой. Это  был не обычный взрыв, который  начинается из определенного  центра и затем захватывает  другие области пространства. По  образному выражению нобелевского  лауреата, американского физика  Стивена Вайнберга (соавтора теории электрослабого взаимодействия), взрыв произошел одновременно везде, «причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы». Другого пространства, кроме того, которое было первоначально занято исходным веществом, не существовало, т. е. тогда это была вся, именно вся Вселенная. И начальный Большой взрыв (Big Bang) был не расширением материи в окружающее пространство, а расширением самого пространства. Big Bang произошел 13-17 млрд. лет назад (по оценкам из закона Хаббла).

Проследим за динамикой развития Вселенной после взрыва. Чем дальше мы уходим в прошлое, тем больше температура, все ближе и ближе сингулярность  — загадка взрыва Вселенной. Современная  наука позволяет в мысленном  путешествии во времени подойти  к сингулярности вплотную. Вернемся опять к использованию простейших математических формул, которые позволят с большей наглядностью проиллюстрировать  это путешествие. Связь температуры Т и времени t, прошедшего от начала расширения такова:  где Т задается в градусах Кельвина, t — в секундах. Начальная температура, по предположению Гамова, была порядка 1032 градусов Кельвина. Это так называемая планковская температура, составленная из планковских единиц длины, времени и массы. Начиная с этого момента (с нуля времени!), Вселенная начала расширяться, температура ее стала понижаться, а объем Вселенной начал расти. Опять же, через планковское время, которое оценивается величиной около 10-43 с, после рождения классического пространства-времени, во Вселенной наступила инфляционная эпоха. Она характеризуется предельно сильным отрицательным давлением (его иногда называют состоянием фальшивого вакуума), при котором меняются законы обычной гравитационной физики. Вещество становится не источником притяжения, а источником отталкивания время этой эпохи объем Вселенной увеличивается на много-много порядков от первоначального объема, вплоть до ста порядков, т. е. практически до размеров почти современной Вселенной, в результате чего вся современная Вселенная оказывается в одной причинно-следственной области, уравнивается кинетическая энергия расширения и ее потенциальная энергия. Из-за действия сил отталкивания Вселенная «разгоняется» и приобретает большую кинетическую энергию, которую в дальнейшем, в последующие эпохи, мы наблюдаем в виде хаббловского расширения по инерции.