История космологической мысли. Теория «большого взрыва»

Итак, следующей важной проблемой, которую должна была решить гипотеза "Большого Взрыва", это механизм образования звезд, галактик и их скоплений, ведь вещество и излучение  были распространены однородно и  изотропно. И в настоящее время  наблюдается однородность вещества в крупных масштабах порядка 100 Мпк, отражающая однородность вещества в далеком прошлом. Но в более  мелких масштабах наблюдаются неоднородности плотности вещества - вещество сосредоточено в галактиках и их скоплениях. Для того, чтобы однородно распределенное вещество подверглось фрагментации, необходимо существование отклонений от однородности, причем только возмущения плотности с характерными размерами, превышающими критический размер (джинсовскую длину волны), способны нарастать и увеличиваться, тогда как остальные возмущения плотности постепенно затухают. Критический размер возмущений плотности вещества зависит от его температуры и средней плотности. Проблема заключается в том, чтобы согласовать гипотезу расширяющейся вселенной с гипотезой образования галактик и их скоплений, имеющих конкретные размеры и плотность вещества. Трудности на этом пути еще не преодолены. Гравитационная неустойчивость вещества должна приводить не только к образованию галактик и их скоплений, но и к образованию значительно меньших объектов - звезд. Предполагается, что звезды могут образовываться из газо-пылевых комплексов массой от 10³ до 10⁴ масс Солнца, размерами 10-100 пк (парсек) и температурой десятки кельвинов. По мере сжатия таких комплексов происходит нагрев вещества и потеря тепла за счет мощного инфракрасного излучения. Сжимаясь, газо-пылевое облако дробится на все более мелкие фрагменты - протозвезды, которые, продолжая сжиматься, дают начало звездам. Наблюдения вселенной подтверждают, что в межзвездных газо-пылевых комплексах действительно существуют компактные источники инфракрасного излучения, что, как считается, свидетельствует в пользу продолжающегося и по настоящее время процесса звездообразования. Постепенно сжимаясь, протозвезды становятся все более непрозрачными для инфракрасного излучения, поэтому они нагреваются и достигают температур, когда начинается термоядерный синтез гелия за счет водорода, т.е. рождаются звезды.

Звезды проходят длительный этап эволюции, в течение которой  они тратят ядерное горючее и  прекращают свое существование. В недрах звезд происходит синтез химических элементов, причем таким способом возможно образование элементов вплоть до железа. Более тяжелые элементы образуются на конечных стадиях эволюции звезд - при взрывах так называемых сверхновых звезд. В ходе эволюции звезд вселенная  обогащается тяжелыми химическими  элементами, выброшенными первыми звездами при истечении вещества или при  взрывах. Звезды последующих поколений, и в частности, как полагают, Солнце, образовались уже из вещества, обогащенного тяжелыми элементами. Возраст старых звездных скоплений в нашей Галактике  оценивается в 10-15 млрд. лет, возраст  нашего Солнца - 4,6-5 млрд. лет. Эти цифры  получены в рамках теории эволюции звезд по наблюдаемым значениям  их светимости и массы.

В космологической модели Фридмана-Леметра с учетом конкретных данных по разбеганию галактик (значения постоянной Хаббла) возраст вселенной (Метагалактики) оценивается в 10-20 млрд. лет. Дальнейшая судьба вселенной зависит от средней плотности вещества в ней, точнее от соотношения между средней плотностью материи и критической плотностью, равной в настоящее время 5*10^-30 г/см³. При плотности материи, превышающей критическое значение, рано или поздно произойдет остановка расширения и начнется обратное сжатие вселенной. (Некоторые ученые предполагают, что сжатием история вселенной не заканчивается. После сжатия вселенная вновь пройдет стадию сингулярности и опять начнет расширяться, и так без конца, периодически пульсируя). При плотности равной критической расширение будет постепенно замедляться до нулевой скорости. При плотности материи меньше критической расширение вселенной никогда не прекратится. По современным данным в настоящее время плотность материи ниже критической. Однако, возможно существование скрытой массы, превышающей всю видимую массу вещества, и вносящей существенный вклад в общую плотность материи. В настоящее время вопрос о дальнейшей судьбе вселенной остается открытым.

Таким образом, я кратко рассмотрела космологическую модель нестационарной расширяющейся вселенной в рамках гипотезы "Большого Взрыва". Считается, что эта гипотеза подтверждается такими фактами: красным смещением спектра свечения галактик (разбеганием галактик); наличием микроволнового фонового (реликтового) излучения с температурой 2,7 К; наблюдаемыми количествами химических элементов во вселенной: 75% общей массы нуклонов приходится на водород и 25% - на гелий, остальных элементов - незначительная доля, а также сопоставимостью возраста звездных объектов и времени их эволюции с возрастом Метагалактики. Но у гипотезы "Большого Взрыва" имеются свои трудности. Первая трудность возникает с самого начала - с момента существования сингулярности, когда вся материя была сжата в точку до бесконечной плотности и имела бесконечную температуру, что физически непостижимо. К той же трудности можно отнести самый ранний этап развития вселенной, когда ее плотность и температура превышали планковские значения плотности и температуры. Современная наука не может описать состояние материи с такой плотностью и температурой, а тем более наукой необъяснимо состояние сингулярности. Вторая трудность связана с первой и выражается вопросом: почему произошел "Большой Взрыв" и сингулярность исчезла? Каковы причины и механизмы этого глобального явления? Наука ничего здесь не может сказать. Третья трудность также связана с первой и выражается вопросом: что было до сингулярности, или откуда появилась вселенная? Чтобы обойти этот вопрос предлагали версию вечно пульсирующей вселенной - периодически расширяющейся и сжимающейся. Однако, в таком случае возникают другие вопросы: что побуждает вселенную после сжатия вновь начинать расширение? Четвертая трудность опять же связана с первой и состоит в том, что непонятны условия, благодаря которым "Большой Взрыв" привел к однородному и изотропному расширению вселенной, а не расширению в виде разлета отдельных "осколков" или струй, как это бывает при взрывах. Кроме глобальных неразрешимых вопросов, связанных с сингулярностью и причиной возникновения "Большого Взрыва", существуют и другие, более "прозаические" проблемы. Например, не ясно почему количество нуклонов во вселенной оказалось немного большим количества антинуклонов, так что этот избыток сформировал все существующее ныне вещества? Еще один вопрос связан с тем, что гипотеза "Большого Взрыва" пока не может объяснить существование галактик и их скоплений. Следующая проблема состоит в том, что в рамках нестационарной расширяющейся вселенной материя была однородной, но при этом существовало большое количество пространственных областей, не связанных друг с другом причинными связями. Т.е., не ясен механизм или причина, приводящая к установлению высокой степени однородности в этих не связанных друг с другом областях. Непонятно почему плотность материи в современной Метагалактике близка к критической. И наконец, как уже говорилось, непонятно как мог образоваться определенный спектр первичных возмущений плотности вещества, чтобы образовались галактики и их скопления. Чтобы как-то объяснить причину однородности материи и ответить на два следующих вышеперечисленных вопроса была предложена довольно странная, так называемая "инфляционная модель" вселенной, согласно которой на самых ранних этапах расширение вселенной шло ускоренно по экспоненте, при этом давление среды было отрицательным, а плотность энергии постоянной, несмотря на увеличение размеров Метагалактики. Однако, и в этой модели возникают свои проблемы. Например, какова природа физического поля, приводящего к инфляционному расширению? Почему инфляционное расширение прекратилось и наступило расширение фридмановское? Ученые надеются, что они смогут найти ответы и на эти вопросы. Но не нужно забывать, что любая научная истина является истиной относительной и может быть в любое время пересмотрена.  

Заключение

В настоящей работе я прикоснулась к тайне происхождения вселенной, кратко изложив историю космологической мысли, рассмотрев космологическую гипотезу "Большого Взрыва" и гипотезу образования Солнечной системы,

Во-первых, космология и космогония предполагают возможность экстраполяции  открытых в земных лабораториях физических законов на всю вселенную и  на все время ее существования  вплоть до экзотических форм сверхплотной и сверхгорячей материи. Во-вторых, научные гипотезы выражают научные истины, которые всегда относительны, и могут уточняться и даже кардинально пересматриваться. Не исключено, что через 10-20 лет гипотеза "Большого Взрыва" отойдет в историю космологических представлений, будучи вытеснена другими гипотезами.

Невзирая на существенные разногласия между современными космологическими (и космогоническими) гипотезами и учением о сотворении мира, сохраняется убежденность в возможности синтеза знания и веры, в том, что такой синтез необходим. Но нельзя исключать, что тайну сотворения мира человечество не сможет постичь до самых последних времен, до скончания вселенной.

Список литературы

1. http://nasha-vselennaia.ru/
2. Журнал «Самиздат», 2007.
3. Физический энциклопедический словарь, т. 1, М., 1960;