Гипотеза многолистной модели вселенной. Модель Вселеной. Стационарная Вселенная Космологическая модель ранней вселенной эра излучения

Введение

Издавна человеческая мысль пытается разрешить проблему происхождения нашего мира, возникновения и дальнейшей судьбы вселенной. Этот вопрос относится к числу вечных вопросов, и, наверное, никогда не перестанет волновать умы людей. В разные времена предлагались и различные решения указанной проблемы. Согласно одним из них, мир был сотворен и когда-то начал свое существование; согласно другим – мир вечен и не имеет начала. Известны и такие точки зрения, согласно которым вселенная периодически возникает и уничтожается.

Происхождение и эволюция Вселенной

Вселенная возникла примерно 20 млрд. лет тому назад из некоего плотного и горячего протовещества. Сегодня можно только предполагать, каким было это прародительское вещество Вселенной, как оно образовалось, каким законам подчинялось, и что за процессы привели его к расширению. Существует точка зрения, что с самого начала протовещество с гигантской скоростью начало расширяться. На начальной стадии это плотное вещество разлеталось, разбегалось во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно распадающихся при столкновениях частиц. Остывая и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались в громадные комплексы. В них в свою очередь возникали более плотные участки – там впоследствии и образовались звезды и даже целые галактики. В результате гравитационной нестабильности в разных зонах образовавшихся галактик могут сформироваться плотные «протозвездные образования» с массами, близкими к массе Солнца. Начавшийся процесс сжатия будет ускоряться под влиянием собственного поля тяготения. Процесс этот сопровождает свободное падение частиц облака к его центру – происходит гравитационное сжатие. В центре облака образуется уплотнение, состоящее из молекулярного водорода и гелия. Возрастание плотности и температуры в центре приводит к распаду молекул на атомы, ионизации атомов и образованию плотного ядра протозвезды. Существует гипотеза о цикличности состояния Вселенной. Возникнув когда-то из сверхплотного сгустка материи. Вселенная, возможно, уже в первом цикле породила внутри себя миллиарды звездных систем и планет. Но затем неизбежно Вселенная начинает стремиться к тому состоянию, с которого началась история цикла, красное смещение сменяется фиолетовым, радиус Вселенной постепенно уменьшается и в конце концов вещество Вселенной возвращается в первоначальное сверхплотное состояние, по пути к нему безжалостно уничтожив всяческую жизнь. И так повторяется каждый раз, в каждом цикле на протяжении вечности! К началу 30-х годов сложилось мнение, что главные составляющие Вселенной – галактики, каждая из которых в среднем состоит из 100 млрд. звезд. Солнце вместе с планетной системой входит в нашу Галактику, основную массу звезд которой мы наблюдаем в форме Млечного Пути. Кроме звезд и планет. Галактика содержит значительное количество разреженных газов и космической пыли. Конечна или бесконечна Вселенная, какая у нее геометрия – эти и многие другие вопросы связаны с эволюцией Вселенной, в частности с наблюдаемым расширением. Если, как это считают в настоящее время, скорость «разлета» галактик увеличится на 75 км/с на каждый миллион парсек, то экстраполяция к прошлому приводит к удивительному результату: примерно 10–20 млрд. лет назад вся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой области. Многие ученые считают, что в то время плотность Вселенной была такая же, как у атомного ядра. Проще говоря, Вселенная тогда представляла собой одну гигантскую «ядерную каплю». По каким-то причинам эта «капля» пришла в неустойчивое состояние и взорвалась. Последствия этого взрыва мы наблюдаем сейчас как системы галактик. Самый серьезный удар по незыблемости Вселенной был нанесен результатами измерений скоростей удаления галактик, полученными известным американским ученым Э. Хабблом. Он установил, что любая галактика удаляется от нас в среднем со скоростью, пропорциональной расстоянию до нее. Это открытие окончательно разрушило существовавшее со времен Аристотеля представление о статичной, незыблемой Вселенной, уже, впрочем, пошатнувшееся в связи с открытием эволюции звезд. Значит, галактики вовсе не являются космическими фонарями, подвешенными на одинаковых расстояниях друг от друга, и, более того, раз они удаляются, то когда-то в прошлом они должны были быть ближе к нам. Около 20 млрд. лет тому назад все галактики, судя по всему, были сосредоточены в одной точке, из которой началось стремительное расширение Вселенной до современных размеров. Но где же находится эта точка? Ответ: нигде и в то же время повсюду; указать ее местоположение невозможно, это противоречило бы основному принципу космологии. Еще одно сравнение, возможно, поможет понять это утверждение. Согласно общей теории относительности, присутствие вещества в пространстве приводит к его искривлению. При наличии достаточного количества вещества можно построить модель искривленного пространства. Передвигаясь по земле в одном направлении, мы в конце концов, пройдя 40000 км, должны вернуться в исходную точку. В искривленной Вселенной случится то же самое, но спустя 40 млрд. световых лет; кроме того, «роза ветров» не ограничивается четырьмя частями света, а включает направления также вверх-вниз. Итак, Вселенная напоминает надувной шарик, на котором нарисованы галактики и, как на глобусе, нанесены параллели и меридианы для определения положения точек; но в случае Вселенной для определения положения галактик необходимо использовать не два, а три измерения. Расширение Вселенной напоминает процесс надувания этого шарика: взаимное расположение различных объектов на его поверхности не меняется, на шарике нет выделенных точек. Чтобы оценить полное количество вещества во Вселенной, нужно просто подсчитать все галактики вокруг нас. Поступая, таким образом, мы получим вещества меньше, чем необходимо, чтобы, согласно Эйнштейну, замкнуть, «воздушный шарик» Вселенной. Существуют модели открытой Вселенной, математическая трактовка которых столь же проста и которые объясняют нехватку вещества. С другой стороны, может оказаться, что во Вселенной имеется не только вещество в виде галактик, но и невидимое вещество в количестве, необходимом, чтобы Вселенная была замкнута; полемика по этому поводу до сих пор не затихает.

Креативная роль физического вакуума

Произнося слово «вакуум», мы обычно представляем себе чрезвычайно разреженную среду, которую либо исследуют в специальных лабораториях, либо наблюдают в космическом пространстве. Однако вакуум это не пустота, а нечто совершенно иное: особое, ненаблюдаемое в повседневной жизни состояние материи, называемое физическим вакуумом.

Обычных (реальных) частиц в пустом объеме, конечно, нет, но квантовая теория предсказывает существование множества других частиц, называемых виртуальными. Такие частицы способны при определенных условиях превращаться в реальные.

Время жизни для частиц с массой me около

с. Эта величина очень мала и говорит они не столько о «жизни», сколько о кратковременном всплеске жизни весьма странных частиц и связанных с ними полей.

Итак, море ненаблюдаемых частиц, готовых при определенных условиях превратиться в обычное.

Состояние физического вакуума можно охарактеризовать наименьшим значением энергии таких квантовых полей, как скалярное поле, которое должно существовать в вакууме. Этому полю ставится в соответствие гипотетическая частица хиггс (по имени ученого Хиггса, ее предложившего), которая является примером сверхтяжелого бозона, масса которого, возможно, в

раз больше массы протона. Такие частицы могут рождаться при температуре K. Существуют проекты огромных ускорителей, где, наблюдая взаимодействие частиц, ученые надеются подтвердить реальность существования хиггсов.

Один из проектов американские инженеры и физики планируют осуществить в конце века. Это будет очень мощный ускоритель на встречных пучках, причем для уменьшения потребляемой энергии в кольцевой установке с длиной окружности 84 км будут использованы сверхпроводящие магниты. Будущий ускоритель назван сверхпроводящим суперколлайдером SSC.

Одно из удивительных свойств физического вакуума связано с тем, что он создает отрицательное давление и, стало быть, сможет оказаться источником сил отталкивания в природе. Это свойство играет исключительно важную роль в сценарии «раздувающейся Вселенной».

Парадоксы стационарной Вселенной

В 1744 г. швейцарский астроном Жан Филипп де Шезо открыл фотометрический парадокс, связанный с предполагаемой бесконечностью вселенной. Суть его в следующем: если в бесконечной вселенной бесчисленное множество звезд, то по любому направлению взгляд земного наблюдателя непременно наталкивался бы на какую-нибудь звезду, и тогда небосвод имел бы яркость сравнимую с яркостью солнца, чего в действительности не наблюдается. В 1826 г. немецкий астроном Генрих Ольберс независимым путем пришел к тем же выводам. С тех пор фотометрический парадокс носит имя парадокса Шезо-Ольберса. Ученые пытались различными путями устранить указанный парадокс, предполагая неравномерность расположения звезд или поглощение света газопылевыми межзвездными облаками, как это пытались сделать Шезо и Ольберс. Однако, как было позже показано, газопылевые облака должны были нагреться и сами переизлучать поглощенные лучи, и этот факт не позволял избежать фотометрического парадокса.

В 1895 г. немецкий астроном Хуго Зеелигер открыл гравитационный парадокс, также связанный с предполагаемой бесконечностью вселенной. Суть его такова: если в бесконечной вселенной бесчисленное множество равномерно распределенных звезд (масс), то сила тяготения их, действующая на любое тело, становится или бесконечно большой или неопределенной (в зависимости от способа расчета), чего не наблюдается. И в этом случае предпринимались попытки избежать гравитационного парадокса, предполагая в законе тяготения другую формулу для гравитационной силы, или, считая, что плотность масс во вселенной близка к нулю. Но точные наблюдения за движением планет солнечной системы опровергли эти предположения. Парадокс оставался в силе.

8.2. Развитие представлений о Вселенной. Модели Вселенной

Исторически представления о Вселенной всегда развивались в рамках мысленных моделей Вселенной, начиная с Древних мифов. В мифологии практически любого народа значитель­ное место занимают мифы о Вселенной - ее происхождении, сущно­сти, структуре, взаимосвязях и возможных причинах конца .

В большинстве древних мифов мир (Вселенная) не вечен, он создан высшими силами из некой первоосновы (субстанции), обычно из воды или из хаоса. Время в древних космогонических представлениях чаще всего циклично, т.е. события рождения, су­ществования и гибели Вселенной следуют друг за другом по кругу, подобно всем объектам в природе. Вселенная представляет собой единое целое, все ее элементы связаны между собой, глубина этих связей различна вплоть до возможных взаимопревращений, со­бытия следуют друг за другом, сменяя друг друга (зима и лето, день и ночь). Этот мировой порядок противопоставляется хаосу. Про­странство мира ограниченно. Высшие силы (иногда боги) высту­пают или творцами Вселенной или хранителями мирового поряд­ка. Структура Вселенной в мифах предполагает многослойность: наряду с явленным (срединным) миром присутствуют верхний и нижний миры, ось Вселенной (часто в виде Мирового древа или горы), центр мира - место, наделенное особыми сакральными свойствами, существует связь между отдельными слоями мира. Существование мира мыслится регрессивно - от «золотого века» к упадку и гибели. Человек в древних мифах может быть аналогом всего Космоса (весь мир создан из гигантского существа, подоб­ного человеку-великану), что укрепляет связь человека и Вселен­ной. В древних моделях человек никогда не занимает центрально­го места.

В VI-V вв. до н.э. создаются первые натурфилософские моде­ли Вселенной, наиболее разработанные в Древней Греции . Предельным понятием в этих моделях выступает Космос как еди­ное целое, прекрасное и законосообразное. Вопрос, как образо­вался мир, дополняется вопросом, из чего устроен мир, как он из­меняется. Ответы формулируются уже не образным, а абстракт­ным, философским языком. Время в моделях чаще всего носит еще циклический характер, но пространство - конечно. В качест­ве субстанции выступают как отдельные стихии (вода, воздух, огонь - в Милетской школе и у Гераклита), смесь стихий, так и единый, неделимый неподвижный Космос (у элеатов), онтологи- зированное число (у пифагорейцев), неделимые структурные еди­ницы - атомы, обеспечивающие единство мира, - у Демокрита. Именно модель Вселенной Демокрита бесконечна в пространст­ве. Натурфилософы определяли статус космических объектов - звезд и планет, различия между ними, их роль и взаиморасполо­жение во Вселенной. В большинстве моделей существенную роль играет движение. Космос построен по единому закону - Логосу, этому же закону подчинен и человек - микрокосм, уменьшенная копия Космоса.

Развитие пифагорейских взглядов, геометризующих Космос и впервые четко представивших его в виде сферы, вращающейся во­круг центрального огня и им же окруженного, получило воплоще­ние в поздних диалогах Платона. Логической вершиной взглядов античности на Космос долгие века считалась модель Аристотеля, математически обработанная Птолемеем. В несколько упрощен­ном виде эта модель, поддерживаемая авторитетом церкви, просу­ществовала около 2 тыс. лет. По Аристотелю, Вселенная: о есть всеобъемлющее целое, состоящее из совокупности всех вос­принимаемых тел; о единственна в своем роде;

о пространственно конечна, ограничена крайней небесной сферой,

за ней же «нет ни пустоты, ни места»; о вечна, безначальна и бесконечна во времени. При этом Земля не­подвижна и находится в центре Вселенной, земное и небесное (надлунное) абсолютно противоположны по своему физико-хи­мическому составу и характеру движения.

В Х1У-Х>/1 вв., в эпоху Возрождения, вновь возникают натур­философские модели Вселенной. Они характеризуются, с одной стороны, возвращением к широте и философичности взглядов ан­тичности, а с другой - строгой логикой и математикой, унаследо­ванной от Средневековья. В результате теоретических изысканий Николай Кузанский, Н. Коперник, Дж. Бруно предлагают модели Вселенной с бесконечным пространством, необратимым линей­ным временем, гелиоцентрической Солнечной системой и мно­жеством миров, подобных ей. Г. Галилей, продолжая эту тради­цию, исследовал законы движения - свойство инерции и первым сознательно использовал мысленные модели (конструкты, позже ставшие основой теоретической физики), математический язык, который он считал универсальным языком Вселенной, сочетание эмпирических методов и теоретической гипотезы, которую опыт должен подтвердить или опровергнуть, и, наконец, астрономиче­ские наблюдения с помощью телескопа, значительно расширив­шие возможности науки.

Г. Галилей, Р. Декарт, И. Кеплер заложили основы современ­ных физических и космогонических представлений о мире, и на их базе и на базе открытых Ньютоном законов механики в конце XVII в. сложилась первая научная космологическая модель Вселен­нойполучившая название классической ньютоновской. Согласно этой модели, Вселенная: О статична (стационарна), т.е. в среднем неизменна во времени; О однородна - все точки ее равноправны; О изотропна - равноправны и все направления; о вечна и пространственно бесконечна, причем пространство и вре­мя абсолютны - не зависят друг от друга и от движущихся масс; О имеет отличную от нуля плотность материи; О имеет структуру, вполне постигаемую на языке наличной системы физического знания, что означает бесконечную экстраполиру- емость законов механики, закона всемирного тяготения, которые являются основными законами для движения всех космических тел.

Кроме того, во Вселенной применим принцип дальнодейст­вия, т.е. мгновенное распространение сигнала; единство Вселен­ной обеспечивается единой структурой - атомарным строением вещества.

Эмпирической базой данной модели служили все полученные в астрономических наблюдениях данные, для их обработки ис­пользовался современный математический аппарат. Эта конст­рукция опиралась на детерминизм и материализм рационалис­тической философии Нового времени . Несмотря на обнару­жившиеся противоречия (фотометрический и гравитационный парадоксы - следствия экстраполяции модели на бесконечность), мировоззренческая привлекательность и логическая непротиво­речивость, а также эвристический потенциал делали ньютонов­скую модель единственно приемлемой для космологов вплоть до XX в.

К необходимости пересмотра взглядов на Вселенную подтолк­нули многочисленные открытия, сделанные в XIX и XX вв.: нали­чие давления света, делимость атома, дефект масс, модель строе­ния атома, неплоские геометрии Римана и Лобачевского, однако только с появлением теории относительности стала возможной новая квантово-релятивистская модель Вселенной.

Из уравнений специальной (СТО, 1905 г.) и общей (ОТО, 1916 г.) теории относительности А. Эйнштейна следует, что про­странство и время связаны между собой в единую метрику, зави­сят от движущейся материи: при скоростях, близких к скоррсти света, пространство сжимается, время растягивается, а вблизи компактных мощных масс пространство-время искривляется, тем самым модель Вселенной геометризируется. Были даже попытки представить всю Вселенную как искривленное пространство-вре­мя, узлы и дефекты которого интерпретировались как массы.

Эйнштейн, решая уравнения для Вселенной, получил модель, ограниченную в пространстве и стационарную. Но для сохране­ния стационарности ему потребовалось ввести в решение допол­нительный лямбда-член, эмпирически ничем не подкрепленный, по своему действию эквивалентный полю, противостоящему гра­витации на космологических расстояниях. Однако в 1922-1924 гг. A.A. Фридман предложил иное решение этих уравнений, из кото­рого вытекала возможность получения трех различных моделей Вселенной в зависимости от плотности материи, но все три моде­ли были нестационарными (эволюционирующими) - модель с расширением, сменяющимся сжатием, осциллирующая модель и модель с бесконечным расширением. В то время отказ от стацио­нарности Вселенной был поистине революционным шагом и вос­принимался учеными с большим трудом, так как казался противо­речащим всем устоявшимся научным и философским взглядам на природу, неизбежно ведущим к креацианизму .

Первое экспериментальное подтверждение нестационарности Вселенной было получено в 1929 г. - Хаббл открыл красное смещение в спектрах удаленных галактик, что, согласно эффек­ту Доплера, свидетельствовало о расширении Вселенной (такую интерпретацию разделяли тогда далеко не все космологи). В 1932- 1933 гг. бельгийский теоретик Ж. Лемегр предложил модель Вселен­ной с «горячим началом», так называемым «Большим взрывом». Но еще в 1940-е и в 1950-е гг. предлагались альтернативные модели (с рождением частиц из с-поля, из вакуума), сохраняющие стационар­ность Вселенной.

В 1964 г. американские ученые - астрофизик А. Пензиас и ра­диоастроном К. Вильсон обнаружили однородное изотропное ре­ликтовое излучение, явно свидетельствующее о «горячем начале» Вселенной. Эта модель стала доминирующей, была признана большинством космологов. Однако сама эта точка «начала», точка сингулярности рождала множество проблем и споров как по пово­ду механизма «Большого взрыва», так и потому, что поведение системы (Вселенной) вблизи нее не удавалось описать в рамках известных научных теорий (бесконечно большие температура и плотность должны были сочетаться с бесконечно малыми разме­рами) . В XX в. выдвигалось множество моделей Вселенной - от тех, которые отвергали в качестве основы теорию относительно­сти, до тех, которые изменяли в базовой модели какой-либо фак­тор, например «сотовое строение Вселенной» или теория струн. Так, для снятия противоречий, связанных с сингулярностью, в 1980-1982 гг. американский астроном П. Стейнхарт и советский астрофизик А. Линде предложили модификацию модели расши­ряющейся Вселенной - модель с инфляционной фазой (модель «раздувающейся Вселенной»), в которой первые мгновения после «Большого взрыва» получали новую интерпретацию. Эту модель продолжали дорабатывать и позже, она снимала ряд существен­ных проблем и противоречий космологии . Исследования не прекращаются и в наши дни: выдвинутая группой японских уче­ных гипотеза о происхождении первичных магнитных полей хо­рошо согласуется с описанной выше моделью и позволяет наде­яться получить новые знания о ранних стадиях существования Вселенной.

Как объект исследования Вселенная слишком сложна, чтобы изучать ее дедуктивно, возможность продвигаться вперед в ее по­знании дают именно методы экстраполяции и моделирования. Одна­ко эти методы требуют точного соблюдения всех процедур (от по­становки проблемы, выбора параметров, степени подобия модели и оригинала до интерпретации полученных результатов), и даже при идеальном выполнении всех требований результаты исследо­ваний будут носить принципиально вероятностный характер.

Математизация знаний, значительно усиливающая эвристи­ческие возможности многих методов, является общей тенденцией науки XX в. Не стала исключением и космология: возникла разно­видность мысленного моделирования - математическое модели­рование, метод математической гипотезы. Сущность его в том, что сначала решаются уравнения, а затем подыскивается физическая интерпретация полученных решений. Данный порядок действий, не характерный для науки прошлого, обладает колоссальным эв- ристнческим потенциалом. Именно этот метод привел Фридмана к созданию модели расширяющейся Вселенной, именно таким путем был открыт позитрон и совершено еще много важных от­крытий в науке конца XX в.

Компьютерные модели, в том числе и при моделировании Все­ленной, рождены развитием компьютерной техники. На их осно­ве доработаны модели Вселенной с инфляционной фазой; в начале XXI в. обработаны большие массивы информации, полученные с космического зонда, и создана модель развития Вселенной с уче­том «темной материи» и «темной энергии».

Со временем изменялась трактовка многих фундаментальных понятий.

Физический вакуум понимается уже не как пустота, не как эфир, а как сложное состояние с потенциальным (виртуальным) содержанием материи и энергии. При этом обнаружено, что из­вестные современной науке космические тела и поля составляют незначительный процент массы Вселенной, а большая часть мас­сы заключена в косвенно обнаруживающих себя «темной мате­рии» и «темной энергии». Исследования последних лет показали, что значительная часть этой энергии действует на расширение, растягивание, разрывание Вселенной, что может привести к фик­сируемому ускорению расширения . В связи с этим требует пе­ресмотра сценарий возможного будущего Вселенной.Категория времени является одной из категорий, наиболее об­суждаемых в космологии. Большинство исследователей придает времени объективный характер, но согласно традиции, идущей от Августина и И. Канта, время и пространство являются формами нашего созерцания, т.е. они толкуются субъективно. Время рас­сматривается либо как параметр, не зависящий от каких бы то ни было факторов (субстанциальная концепция, идущая от Демо­крита и лежащая в основе классической ньютоновской модели Вселенной), либо как параметр, связанный сдвижением материи (реляционная концепция, идущая от Аристотеля и ставшая ос­новой квантово-релятивистской модели Вселенной). Наиболее распространена динамическая концепция, представляющая вре­мя движущимся (говорят о течении времени), но выдвигалась и противоположная концепция - статическая. Время в различных моделях выступает или циклическим, или конечным, или беско­нечным и линейным. Сущность времени чаще всего связывают с причинностью. Обсуждаются такие проблемы, как обоснование выделения настоящего момента времени, его направленности, анизотропии, необратимости, универсальности времени, т.е. при всех ли состояниях Вселенной существует время и всегда ли оно одномерно или может иметь иную размерность и даже не сущест­вовать в определенных условиях (например, в точке сингулярно­сти). Наименее разработан вопрос об особенностях времени в сложных системах: биологических, психических, социальных.

При создании моделей Вселенной существенную роль играют некоторые константы - гравитационная постоянная, постоянная Планка, скорость света, средняя плотность материи, число изме­рений пространства-времени. Исследуя эти константы, некото­рые космологи пришли к выводу, что при других значениях этих констант во Вселенной не существовало бы сложных форм мате­рии, не говоря уже о жизни и тем более разуме.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Евсюков В.В. Мифы о Вселенной. Новосибирск, 1988.

Латыпов H.H., Бейлин В.А., Верешков Г.М. Вакуум, элементарные час­тицы и Вселенная. М., 2001.

Линде А.Д. Физика элементарных частиц и инфляционная космоло­гия. М., 1990.

Надточаев A.C. Философия и наука в эпоху античности. М., 1990.

Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. М., 1990.

Павленко А.Н. Европейская космология: основания эпистемологиче­ского поворота. М., 1997.

Хокинг С. От большого взрыва до черных дыр. М., 1990.

Модели стационарной Вселенной. Уникальность Вселенной не позволяет провести экспериментальную проверку выдвигаемых гипотез и поднять их до уровня теорий, поэтому эволюция Вселенной может рассматриваться только в рамках моделей.

После создания классической механики научная картина мира основывалась на ньютоновских представлениях о пространстве, времени и гравитации и описывала неизменную во времени, т.е. стационарную, бесконечную Вселенную, созданную Творцом.

В XX в. появились новые теоретические основы для создания новых космологических моделей.

Прежде всего надо упомянуть космологический постулат, согласно которому устанавливаемые в ограниченной части Вселенной физические законы справедливы и для всей Вселенной. Кроме того, считается аксиомой однородность и изотропность крупномасштабного распределения вещества во Вселенной. При этом модель эволюции должна соответствовать так называемому антропному принципу, т.е. предусматривать возможность появления на определенном этапе эволюции наблюдателя (разумного человека).

Поскольку именно тяготение определяет взаимодействие масс и на больших расстояниях, теоретическим ядром космологии ХХ в. стала релятивистская теория гравитации и пространства–времени – общая теория относительности. Согласно данной теории распределение и движение материи определяют геометрические свойства пространства-времени и в то же время сами зависят от них. Гравитационное поле проявляется как «искривление» пространства-времени. В первой космологической модели Эйнштейна, созданной на основе общей теории относительности в 1916 г., Вселенная также стационарна. Она безгранична, но замкнута и имеет конечные размеры. Пространство замыкается само на себя.

Фридмановские модели нестационарной Вселенной. Эйнштейновская модель стационарной Вселенной была опровергнута в работах русского ученого А.А. Фридмана (1888 – 1925) , который в 1922 г. показал, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно либо расширяться, либо сжиматься. Возможны три различных модели изменения радиуса кривизны Вселенной, зависящие от средней плотности вещества в ней, причем в двух из них Вселенная бесконечно расширяется, а в третьей – радиус кривизны периодически изменяется (Вселенная пульсирует).

Хотя открытие Э. Хабблом закона зависимости скорости удаления галактик от расстояния до них подтвердило расширение Вселенной, в настоящее время сравнение экспериментально оцененной плотности вещества с критическим значением данного параметра, определяющим переход от расширения к пульсации, не дает возможности однозначно выбрать сценарий дальнейшей эволюции. Эти две величины оказались близки, а экспериментальные данные - недостаточно надежны.

Расширение Вселенной в настоящее время является обоснованным и общепризнанным фактом, позволяющим оценить возраст Вселенной. В соответствии с наиболее распространенными оценками он составляет 10 18 с ( 18 млрд лет). Следовательно, современные модели предполагают «начало» Вселенной. Как же началась ее эволюция?

Модель горячей Вселенной. В основе современных представлений о начальных стадиях эволюции Вселенной лежит модель «горячей Вселенной», или «Большого Взрыва», основы которой были заложены в 40-х годах XX в. российским ученым, работавшим в США, Г.А. Гаммовым (1904 – 1968). В простейшем варианте данной модели представляется, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из сверхплотного и сверхгорячего состояния с бесконечной кривизной пространства (состояния сингулярности). «Горячесть» начального сингулярного состояния характеризуется преобладанием в нем электромагнитного излучения над веществом. Это подтверждается экспериментально обнаруженным в 1965 году американскими астрофизиками Пензиасом (г. р. 1933) и Вильсоном (г. р. 1936) изотропным электромагнитным «реликтовым излучением». Современные физические теории позволяют описать эволюцию материи начиная с момента времени t = 10 -43 c. Самые начальные моменты эволюции Вселенной пока находятся за физическим барьером. Только начиная с момента t = 10 -10 c после Большого Взрыва наши представления о состоянии вещества в ранней Вселенной и происходящих в ней процессах могут быть проверены экспериментально и описаны теоретически.

По мере расширения Вселенной плотность вещества в ней уменьшается и температура падает. При этом происходят процессы качественных превращений частиц вещества. В момент 10 -10 с вещество состоит из свободных кварков, лептонов и фотонов (см. раздел III). По мере остывания Вселенной происходит образование адронов, затем возникают ядра легких элементов – изотопов водорода, гелия, лития. Синтез ядер гелия прекращается в момент t = 3 мин. Только через сотни тысяч лет ядра соединяются с электронами, и возникают атомы водорода и гелия, и с этого момента вещество перестает взаимодействовать с электромагнитным излучением. «Реликтовое» излучение возникло именно в этот период. Когда размеры Вселенной были примерно в 100 раз меньше, чем в настоящую эпоху, из неоднородностей газообразного водорода и гелия возникли газовые сгустки, которые фрагментировались и привели к возникновению звезд и галактик.

Вопрос об исключительности Вселенной как объекта космологии остается открытым. Наряду с распространенной точкой зрения, что вся Вселенная – это наша Метагалактика, существует противоположное мнение, что Вселенная может состоять из множества метагалактик, а представление об уникальности Вселенной является исторически относительным, определяемым уровнем науки и практики.

В 1917 г. А. Эйнштейн построил модель Вселенной. В этой модели для преодоления гравитационной неустойчивости Вселенной использовалась космологическая сила отталкивания, получившая название лямбда-параметра. В дальнейшем Эйнштейн скажет, что это была грубейшая его ошибка, противоречащая духу созданной им теории относительности: сила тяготения в этой теории отождествляется с кривизной пространства-времени. Вселенная Эйнштейна имела форму гиперцилиндра, протяженность которого определялась общим количеством и составом форм проявления энергии (вещество, поле, излучение, вакуум) в этом цилиндре. Время в этой модели направлено от бесконечного прошлого к бесконечному будущему. Таким образом, здесь величина энергии-, массы Вселенной (вещество, поле, излучение, вакуум) пропорционально связана с пространственной ее структурой: ограниченная по своей форме, но бесконечного радиуса и бесконечная во времени.

Исследователи, которые стали анализировать эту модель, обратили внимание

на ее чрезвычайную неустойчивость, подобную стоящей на ребре монете, одна сторона которой соответствует расширяющейся Вселенной, другая - замкнутой: при учете одних физических параметров Вселенной, по модели Эйнштейна, она получается вечно расширяющейся, при учете других - замкнутой. Например, голландский астроном В. де Ситтер, допустив, что время искривлено так же, как и пространство в модели Эйнштейна, получил модель Вселенной, в которой в очень удаленных объектах время полностью останавливается.

А. Фри д ман, ф и з ик и математик Петроградского университета, опубликовал в 1922 г . статью « О кривизне пространства». В ней приводились результаты исследований общей теории относительности, которые не исключали математической возможности существования трех моделей Вселенной: модель Вселенной в евклидовом пространстве (К = 0); модель с коэффициентом, равным (К> 0) и модель в пространстве Лобачевского - Больяй (К < 0).

В своих вычислениях А. Фридман исходил из положения о том, чт о величина и

радиус Вселенной пропорциональны величине энергии, вещества и другим

формам ее проявления во Вселенной в целом. Математические выводы А.Фридмана отрицали необходимость введения космологической силы отталкивания, поскольку из общей теории относительности не исключалась возможность существования модели Вселенной, в которой процессу ее расширения соответствует процесс сжатия, связанный с ростом плотности, давления составляющей Вселенную энергии-материи (вещество, поле, излучение, вакуум). Выводы А. Фридмана вызвали сомнение у многих ученых и у самого А. Эйнштейна. Хотя уже в 1908 г. математик Г. Минковский, дав геометрическую интерпретацию специальной теории относительности, получил модель Вселенной, в которой коэффициент кривизны равен нулю (К = 0), т. е. модель Вселенной в евклидовом пространстве.

Н. Лобачевский, основатель неевклидовой геометрии, проводил измерение углов треугольника между удаленными от Земли звездами и обнаружил, что сумма углов треугольника равна 180°, т. е. пространство в космосе является евклидовым. Наблюдаемая евклидовость пространства Вселенной является одной из загадок современной космологии. В настоящее время считается, что плотность вещества

во Вселенной составляет 0,1-0,2 части от критической плотности. Критическая плотность примерно равна 2 · 10 -29 г /см 3 . Достигнув критической плотности, Вселенная начнет сжиматься.

Модель А. Фридмана с «К > 0» - это расширяющаяся Вселенная из исходного

ее состояния, к которому она должна вновь возвратиться. В этой модели появилось понятие возраста Вселенной: наличие предшествующего состояния относительно наблюдаемого в определенный момент.

Предположив, что масса всей Вселенной равна 5 · 10 2 1 масс Солнца, А.

Фридман рассчитал, что наблюдаемая Вселенная находилась в сжатом состоянии

по модели «K > 0» приблизительно 10-12 млрд лет тому назад. После этого она стала расширяться, но это расширение не будет бесконечным и через определенное время произойдет вновь сжатие Вселенной. А. Фридман отказывался обсуждать физику начального, сжатого состояния Вселенной, поскольку законы микромира к тому времени не были ясны. Математические выводы А. Фридмана многократно проверялись и перепроверялись не только А. Эйнштейном, но и другими учеными. Через определенное время А. Эйнштейн в ответе на письмо А. Фридмана признал правильность этих решений и назвал А. Фридмана «первым ученым, ставшим на путь построения релятивистских моделей Вселенной». К сожалению, А. Фридман рано умер. В его лице наука потеряла талантливого ученого.

Как уже отмечалось выше, ни А. Фридману, ни А. Эйнштейну не были известны данные о факте «разбегания» галактик, полученные американским астрономом В. Слайфером (1875-1969) в 1912 г. К 1925 г. он измерил скорость движения несколько десятков галактик. Поэтому космологические идеи А. Фридмана обсуждались преимущественно в теоретическом плане. Н о уже в 1929

г. американский астроном Э. Хаббл (1889-1953) с помощью телескопа с приборами спектр а льного анализа от крыл т а к называ е мый э ффект

«красного смещения». Свет, идущий от галактик, которые он наблюдал,

смещался в красную часть цветового спектра видимого света. Это говорило о том,

что наблюдаемые галактики удаляются, «разбегаются» от наблюдателя.

Эффект «красного смещения» - частный случай эффекта Доплера. Австрийский ученый К.Доплер (1803-1853) открыл его в 1824 г. При удалении источника волн относительно прибора, фиксирующего волны, длина волны увеличивается и становится короче при приближении к неподвижному приемнику волны. В случае световых волн длинные волны света соответствуют красному сегменту светового спектра (красный - фиолетовый), короткие - фиолетовому сегменту. Эффект «красного смещения» был использован Э. Хабблом для измерения расстояний до галактик и скорости их удаления: если «красное смещение» от галактики А, например, боль ш е в два раза, чем от галактики В, то расстояние до галактики А в два раза больше, чем до галактики В.

Э. Хаббл установил, что все наблюдаемые галактики удаляются по всем направлениям небесной сферы со скоростью, пропорциональной расстоянию до них: Vr = Нr, где r - расстояние до наблюдаемой галактики, измеряемой в парсеках (1 пс приблизительно равен 3,1 10 1 6 м), Vr - скорость движения наблюдаемой галактики, Η - постоянная Хаббла, или коэффициент пропорциональности между скоростью движения галактики и расстоянием до нее

от наблюдателя. Небесная сфера - это понятие, которое используется для описания объектов звездного неба невооруженным глазом. Древние считали небесную сферу реальностью, на внутренней стороне которой закреплены звезды. Вычисляя значение этой величины, которую потом стали называть постоянной Хаббла, Э. Хаббл пришел к выводу о том, что она равна приблизительно 500 км/(с Мпс). Иначе говоря, отрезок пространства в один миллион парсек увеличивается за одну секунду на 500 км.

Формула Vr = Нr позволяет рассматривать как удаление галактик, так и обратную ситуацию, движение к некоему исходному положению, началу «разбегания» галактик во времени. Величина, обратная постоянной Хаббла, имеет размерность времени: t (время) = r/Vr = 1/H. При значении Н, о котором говорилось выше, Э. Хаббл получил время начала «разбегания» галактик, равное 3 млрд лет, что вызвало у него сомнение относительности правильности вычисленной им величины. Пользуясь эффектом «красного смещения», Э. Хаббл достиг самых удаленных галактик, известных в то время: чем дальше галактика, тем меньше воспринимаемая нами ее яркость. Это позволило Э. Хабблу говорить о том, что формула Vr = Hr выражает наблюдаемый факт расширения Вселенной, о котором говорилось в модели А. Фридмана. Астрономические исследования Э. Хаббла стали рассматриваться рядом ученых как опытные подтверждения правоты модели А. Фридмана о нестационарной, расширяющейся Вселенной.

Уже в 30-е годы некоторые ученые высказывали сомнения по поводу данных

Э. Хаббла. Например, П. Дирак высказал гипотезу о естественном краснении квантов света в силу их квантовой природы, взаимодействия с электромагнитными полями космического пространства. Другие указывали на теоретическую несостоятельность постоянной Хаббла: почему величина постоянной Хаббла должна быть вкаждой момент времени одинаковой в эволюции Вселенной? Это устойчивое постоянство постоянной Хаббла предполагает, что известные нам законы Вселенной, действующие вМегагалактике, обязательны для всей Вселенной в целом. Возможно, как говорят критики постоянной Хаббла, существуют какие-то другие законы, которым не будет соответствовать постоянная Хаббла.

Например, говорят они, свет может «краснеть» за счет воздействия на него межзвездной (МЗС) и межгалактической (МГЗ) среды, которые могут удлинять длину волны его движения к наблюдателю. Другим вопросом, вызвавшим дискуссии в связи с исследованиями Э. Хаббла, был вопрос о предположении возможности движений галактик со скоростью, превышающей скорость света. Если это возможно, то тогда эти галактики могут исчезнуть из нашего наблюдения, поскольку из общей теории относительности никакие сигналы не могут быть переданы быстрее света. Тем не менее большинство ученых считают, что наблюдения Э. Хаббла установили факт расширения Вселенной.

Факт расширения галактик не означает расширения внутри самих галактик, так как их структурная определенность обеспечивается действием внутренних сил гравитации.

Наблюдения Э. Хаббла способствовали дальнейшему обсуждению моделей А. Фридмана. Бельгийский монах и астроном Ж. Ле м етр (в пе р вой половине прошлого) века обратил вним а ние на сл е дующее обстоятельство: разбегание галактик означает расширение пространства, следовательно, в прошлом

было уменьшение объема и п л отности в е щества. Первоначальную плотность вещества Леметр назвал протоатомом с плотностью 10 9 3 г/см 3 , из которого Богом был создан мир. Из этой модели следует, что понятие плотности вещества может быть использовано для определения границы применимости понятий пространства и времени. При плотности 10 9 3 г/см 3 понятия времени и пространства теряют свой обычный физический смысл. Эта модель привлекла внимание к физическому состоянию со сверхплотными и сверхгорячими физическими параметрами. Кроме этого, были предложены модели пульсирующей Вселенной: Вселенная расширяется и сжимается, но никогда не доходит до крайних пределов. Модели пульсирующей Вселенной придают большое значение измерению плотности энергии-вещества во Вселенной. При достижении критического предела плотности Вселенная расширяется или сжимается. В результате появился термин «сингул я рное» (лат. singularus - отдельный, единичный) состояние, в котором плотность и температура принимают бесконечное значение. Это направление исследований столкнулось с проблемой «скрытой массы» Вселенной. Дело в том, что наблюдаемая масса Вселенной не совпадает с ее массой, вычисленной на основе теоретических моделей.

Модель «Большого взрыва». Наш соотечественник Г. Гамов (1904-1968)

работал в Петроградском университете и был знаком с космологическими идеями

А. Фридмана. В 1934 г. он был послан в командировку в США, где остался до конца своей жизни. Под влиянием космологических идей А. Фридмана Г. Гамов заинтересовался двумя проблемами:

1) относительной распространенностью химических элементов во Вселенной и 2) их происхождением. К концу первой половина ХХ в. велась оживленная дискуссия по этим проблемам: где могут образовываться тяжелые химические элементы, если водород (1 1 Н) и гелий (4 Н) являются самыми распространенными химическими элементами во Вселенной. Г. Гамов предположил, что химические элементы ведут свою историю от самого начала расширения Вселенной.

Модель Г. Гамова н а зывается моделью «Большого взрыва», н о она имеет

и другое название: «А-Б-Г-теория» . В этом названии указаны начальные буквы авторов статьи (Альфер, Бете, Гамов), которая была опубликована в 1948 г. и содержала модель «горячей Вселенной», но основная идея этой статьи принадлежала Г. Гамову.

Кратко о сути этой модели:

1. «Исходное начало» Вселенной, по модели Фридмана, было представлено сверхплотным и сверхгорячим состоянием.

2. Это состояние возникло в результате предыдущего сжатия всей материальной, энергетической составляющей Вселенной.

3. Этому состоянию соответствовал чрезвычайно малый объем.

4. Энергия-материя, достигнув некоторого предела плотности и температуры в этом состоянии, взорвалась, произошел Большой взрыв, который Гамов назвал

«Космологическим Большим взрывом».

5. Речь идет о необычном взрыве.

6. Большой взрыв придал определенную скорость движения всем фрагментам исходного физического состояния до Большого взрыва.

7. Поскольку исходное состояние было сверхгорячим, то расширение должно сохранить остатки этой температуры по всем направлениям расширяющейся Вселенной.

8. Величина этой остаточной температуры должна быть приблизительно одинаковой во всех точках Вселенной.

Это явление было названо реликтовым (древним), фо н овым изл у чение м. В

1953 г. Г. Гамов вычислил волновую температуру реликтового излучения. У него

получилось 10 К. Реликтовое излучение - это микроволновое электромагнитное излучение.

В 1964 г. американские специалисты А. Пензиас и Р. Вильсон случайно обнаружили реликтовое излучение. Установив антенны нового радиотелескопа, они не могли избавиться от помех в диапазоне 7,8 см. Эти помехи, шум шли из космоса, одинаковые по величине и по всем направлениям. Измерения этого фона излучения дали температуру меньше 10 К.

Таким образом, гипотеза Г. Гамова о реликтовом, фоновом излучении подтвердилась. В своих работах о температуре фонового излучения Г. Гамов использовал формулу А. Фридмана, выражающую зависимость изменения плотности излучения во времени. В параболической (К> 0) модели Вселенной. Фридман рассматривал состояние, когда излучение преобладает над веществом неограниченно расширяющейся Вселенной.

Согласно модели Гамова в развитии Вселенной существовало две эпохи: а) преобладание излучения (физического поля) над веществом;

б) преобладание вещества над излучением. В начальный период излучение преобладало над веществом, затем было время, когда их отношение было равным, и период, когда вещество стало преобладать над излучением. Гамов определил границу между этими эпохами - 78 млн лет.

В конце ХХ в. измерения микроскопических изменений фонового излучения, которую назвали ряб ь ю, позволили ряду исследователей утверждать, что эта рябь представляет изменение плотности вещества и энер г ии в результате действия сил гравитации на ранних стадиях развития Вселенной.

Модель«Ин ф л яци о нной Вселенной» .

Термин «инфляция» (лат. «inflation» ) трактуется как вздутие. Два исследователя А. Гут и П. Сейнхардт предложили эту модель. В этой модели эволюция Вселенной сопровождается гигантским вздутием квантового вакуума: за 10 -30 с происходит увеличение размеров Вселенной в 10 50 раз. Инфляция является адиабатическим процессом. Он связан с охлаждением и возникновением различия между слабым, электромагнитным и сильным взаимодействием. Аналогия раздувания Вселенной может быть, грубо говоря, представлена как внезапная кристаллизация переохлажденной жидкости. Первоначально инфляционная фаза рассматривалась как «второе рождение» Вселенной после Большого взрыва. В настоящее время инфляционные модели используют понятие и н ф латонн о го поля . Это гипотетическое поле (от слова «инфляция»), в котором благодаря случайным колебаниям образовалась однородная конфигурация этого поля размером более 10 -33 см. Из нее произошло расширение и разогревание Вселенной, в которой мы живем.

Описание событий во Вселенной на основе модели «Инфляционной Вселенной» полностью совпадает с описанием на основе модели Большого взрыва, начиная с 10 -30 с расширения. Фаза раздувания означает, что наблюдаемая Вселенная составляет только часть Вселенной. В учебнике Т. Я. Дубнищевой «Концепции современного естествознания» предлагается следующий ход событий согласно модели «Инфляционной Вселенной»:

1) t - 10 - 4 5 с. К этому моменту после начала расширения Вселенной ее радиус составлял приблизительно 10 -50 см. Это событие является необычным с точки зрения современной физики. Предполагается, что ему предшествуют события, порождаемые квантовыми эффектами инфлатонного поля. Это время меньше времени «эры Планка» - 10 - 4 3 с. Но это не смущает сторонников этой модели, которые проводят вычисления со временем 10 -50 с;

2) t - приблизительно от 10 -43 до 10 -35 с - эпоха «Великого объединения» или объединения всех сил физического взаимодействия;

3) t - приблизительно от 10 - 3 5 до 10 -5 - быстрая часть инфляционной фазы,

когда диаметр Вселенной увеличился в 10 5 0 раз. Речь идет о возникновении и образовании электронно-кварковой сред ы;

4) t - приблизительно от 10 -5 до 10 5 с происходит вначале удержание кварков в адронах, а затем образование ядер будущих атомов, из которых в дальнейшем образуется вещество.

Из этой модели следует, что через одну секунду от начала расширения Вселенной идет процесс возникновения вещества, разъединение его с фотонами электромагнитного взаимодействия и образования протосверхскоплений и протогалактик. Разогревание происходит в результате возникновения частиц и античастиц, взаимодействующих между собой. Этот процесс называется аннигиляцией (лат. nihil - ничто или превращение в ничто). Авторы модели считают, что аннигиляция асимметрична в сторону образования обыкновенных частиц, из которых состоит наша Вселенная. Таким образом, основная идея модели «Инфляционной Вселенной» - исключить из космологии понятие

«Большого взрыва» как особого, необычного, исключительного состояния в эволюции Вселенной. Однако в этой модели появляется не менее необычное состояние. Это состояние ко н ф игурации и н ф латонного поля. Возраст Вселенной в этих моделях оценивается в 10-15 млрд лет.

«Инфляционная модель» и модель «Большого взрыва» дают объяснение наблюдаемой неоднородности Вселенной (плотности сгущения вещества). В частности, считается, что при раздувании Вселенной возникли космические неоднородности-текстуры как зародыши агрегатов вещества, которые в дальнейшем разрослись до галактик и их скоплений. Об этом свидетельствует зафиксированное в 1992г. отклонение температуры реликтового излучения от среднего его значения 2,7 К примерно на 0,00003 К. Обе модели говорят о горячей расширяющейся Вселенной, в среднем однородной и изотропной относительно реликтового излучения. В последнем случае имеется в виду факт практически одинакового значения реликтового излучения во всех частях наблюдаемой Вселенной по всем направлениям от наблюдателя.

Существуют альтернативные моделям «Большого взрыва» и «Инфляционной

Вселенной»: модели «Стационарной Вселенной», «Холодной Вселенной» и

«Самосогласованной космологии».

Модель «Стационарной Вселенной». Эта модель была разработана в 1948 г. Она основывалась на принципе «космологического постоянства» Вселенной: не только во Вселенной не должно быть ни одного выделенного места, но и во времени не должен быть выделен ни один момент. Авторами этой модели являются Г. Бонди, Т. Голдом и Ф. Хойл, последний - широко известный автор популярных книг по проблемам космологии. В одной из своих работ он писал:

«Каждое облако, галактика, каждая звезда, каждый атом имели начало, но не Вселенная целиком, Вселенная есть нечто большее, чем ее части, хотя этот вывод может показаться неожиданным». Данная модель предполагает наличие во Вселенной внутреннего источника, резервуара энергии, который поддерживает плотность ее энергии-материи на «постоянном уровне, препятствующем сжатию Вселенной». Например, Ф. Хойл утверждал, что если бы в одном ведре пространства за каждые 10 млн лет возникал один атом, то плотность энергии, вещества и излучения во Вселенной в целом будет постоянной. Эта модель не объясняет, каким образом возникли атомы химических элементов, вещество и т.

д. Открытие реликтового, фонового излучения сильно подорвало теоретические основания этой модели.

Модель « Холодной Вселенно й ». Модель была предложена в шестидесятых

годах прошлого века советским астрофизиком Я. Зельдовичем. Сравнение

теоретических значений плотности и температуры излучения по модели

«Большого взрыва» с данными радиоастрономии позволило Я. Зельдовичу высказать гипотезу, согласно которой исходным физическим состоянием Вселенной был холодный протонно-электронный газ с примесью нейтрино: на каждый протон приходится один электрон и одно нейтрино. Обнаружение реликтового излучения, подтверждающего гипотезу об исходном горячем состоянии в эволюции Вселенной, привело Зельдовича к отказу от собственной модели «Холодной Вселенной». Однако идея вычисления соотношений между количеством разного типа частиц и распространенности химических элементов во Вселенной оказалась плодотворной. В частности, было установлено, что плотность энергии-материи во Вселенной совпадает с плотностью реликтового излучения.

Модель «Вселенная в атоме». Эта модель утверждает, что существует на самом деле не одна, а множество Вселенных. Модель «Вселенная в атоме» основывается на понятии замкнутого мира по А. Фридману. Замкнутый мир - область Вселенной, в которой силы притяжения между ее составляющими равны энергии их общей массы. В этом случае внешние размеры подобной Вселенной могут быть микроскопическими. С точки зрения внешнего наблюдателя это будет микроскопический объект, а с точки зрения наблюдателя внутри этой Вселенной все выглядит иначе: свои галактики, звезды и т. п. Эти объекты получили название ф ридмонов. Академик А. А. Марков высказал гипотезу о том, что фридмонов может быть неограниченное количество и они могут быть полностью незамкнутыми, т. е. у них есть вход в их мир и выход (связь) с другими мирами. Получается множество Вселенных, или, как назвал в одной из своих работ член- корреспондент АН СССР И. С. Шкловский, - Метавселенная.

Идея о множественности Вселенных высказана А. Гутом, одним из авторов инфляционной модели Вселенной. В раздувающейся Вселенной возможно образование «аневризмов» (термин из медицины, означает выпячивание стенок кровеносных сосудов) от материнской Вселенной. Согласно этому автору вполне является возможным создание Вселенной. Для этого нужно сжать 10 кг вещества

до размера меньшего, чем одна квадриллионная часть элементарной частицы.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Модель «Большого взрыва».

2. Астрономические исследования Э. Хаббла и их роль в развитии

современной космологии.

3. Реликтовое, фоновое излучение.

4. Модель «Инфляцио нн ой Вселе нн ой».

Ни один физик не оспаривает сегодня специальную теорию относительности, и лишь немногие оспаривают основные положения общей теории относительности. Правда, общая теория относительности оставляет многие важные проблемы нерешенными. Несомненно и то, что наблюдения и эксперименты, поддерживающие эту теорию, малочисленны и не всегда убедительны. Но даже если бы не было вообще никаких подтверждений, общая теория относительности все же была бы необычайно привлекательна из-за больших упрощений, вводимых ею в физику.

Упрощений? Может показаться странным использование этого слова по отношению к теории, где применяется настолько развитая математика, что кто-то однажды сказал, будто во всем мире не более двенадцати человек могут понять ее (между прочим, это число было явно преуменьшено даже в то время, когда такое мнение было общепризнанным).

Математический аппарат теории относительности действительно сложен, но эта сложность компенсируется необыкновенным упрощением общей картины. Например, сведения тяготения и инерции к одному и тому же явлению достаточно, чтобы сделать общую теорию относительности наиболее плодотворным направлением при формировании взгляда на мир.

Эйнштейн высказал эту мысль в 1921 г., когда читал лекцию об относительности в Принстонском университете: «Возможность объяснить численное равенство инерции и гравитации единством их природы дает общей теории относительности, по моему убеждению, такие преимущества перед концепциями классической механики, что в сравнении с этим все трудности, встречающиеся здесь, следует считать небольшими… »

К тому же теории относительности присуще то, что математики любят называть «изяществом». Это своего рода артистическое произведение. «Каждый любитель прекрасного, - заявил однажды Лоренц, - должен желать, чтобы она оказалась правильной».

В этой главе твердо установленные аспекты теории относительности будут оставлены в стороне, и читатель окунется в область ожесточенных споров, область, где точки зрения являются не более чем предположениями, которые должны быть приняты или отвергнуты на основе научных доказательств.

Что представляет собой Вселенная в целом? Мы знаем, что Земля - это третья от Солнца планета в системе из девяти планет и что Солнце является одной из примерно ста миллиардов звезд, составляющих нашу Галактику. Мы знаем, что в той области пространства, которую можно прозондировать самыми мощными телескопами, разбросаны другие галактики, число которых также должно исчисляться миллиардами. Продолжается ли это до бесконечности?

Бесконечно ли число галактик? Или же пространство все-таки имеет конечные размеры? (Может быть, нам следует говорить «наше пространство», поскольку если наше пространство ограниченно, то кто может сказать, что не существует других ограниченных пространств?)

Астрономы прилагают все усилия, чтобы ответить на эти вопросы. Они конструируют так называемые модели Вселенной - воображаемые картины мира, если его рассматривать как единое целое. В начале девятнадцатого века многие астрономы предполагали, что Вселенная безгранична и содержит бесконечное число солнц. Пространство считалось евклидовым. Прямые ливни уходили в бесконечность во всех направлениях. Если бы космический корабль отправился в путь в любом направлении и двигался по прямой линии, то его путешествие длилось бы бесконечно долго, причем он никогда не достиг бы границы. Эта точка зрения восходит к древним грекам. Они любили говорить, что, если воин будет бросать свое копье все дальше и дальше, в пространство, он никогда не сможет достичь конца; если же такой конец вообразить себе, то воин смог бы стать там и метнуть копье еще дальше!

Против этой точки зрения имеется одно важное возражение. Немецкий астроном Генрих Олберс отметил в 1826 г., что если число солнц бесконечно и эти солнца распределены в пространстве случайным образом, то прямая линия, проведенная от Земли в любом направлении, должна была бы в конечном счете пройти сквозь какую-либо звезду. Это означало бы, что все ночное небо должно было представлять собой одну сплошную поверхность, испускающую слепящий звездный свет. Мы знаем, что это не так. Следует придумать какое-то объяснение темноте ночного неба, чтобы объяснить то, что теперь называют парадоксом Олберса. Большинство астрономов конца девятнадцатого и начала двадцатого века считали, что число солнц ограниченно. Наша галактика, утверждали они, содержит все имеющиеся солнца. Что же вне галактики? Ничего! (И только в середине двадцатых годов этого столетия появились неопровержимые доказательства, что существуют миллионы галактик на громадных расстояниях от нашей.) Другие астрономы допускали, что свет от далеких звезд может поглощаться скоплениями межзвездной пыли.

Наиболее остроумное объяснение дал шведский математик В. К. Шарлье. Галактики, говорил он, группируются в ассоциации, ассоциации - в сверхассоциации, сверхассоциации - в сверх-сверхассоциации и так далее до бесконечности. На каждой ступени объединения расстояния между группировками растут быстрее, чем размеры групп. Если это правильно, то тогда чем дальше продолжать прямую линию от нашей галактики, тем меньше вероятность того, что она встретит другую галактику. Вместе с тем эта иерархия ассоциаций бесконечна, так что по-прежнему можно говорить, что Вселенная содержит бесконечное число звезд. В объяснении, данном Шарлье парадоксу Олберса, нет ничего ошибочного, за исключением того, что имеется следующее более простое объяснение.

Первая модель Вселенной, основанная на теории относительности, была предложена самим Эйнштейном в статье, опубликованной в 1917 г. Это была изящная и красивая модель, хотя позже Эйнштейн вынужден был отказаться от нее. Выше уже объяснялось, что гравитационные поля - это искривления структуры пространства - времени, производимые присутствием больших масс материи. Внутри каждой галактики, следовательно, имеется много подобных скручиваний и изгибов пространства - времени. А как же огромные области пустого пространства между галактиками? Одна точка зрения такона: чем больше расстояние от галактик, тем более плоским (более евклидовым) становится пространство. Если бы Вселенная была свободна от всякой материи, то пространство было бы совершенно плоским; некоторые, однако, считают, что в этом случае вообще было бы бессмысленным говорить, что оно имеет какую-то структуру. И в том и в другом случае Вселенная пространства - времени простирается неограниченно во всех направлениях.

Эйнштейн сделал одно заманчивое контрпредложение. Предположим, сказал он, что количество материи во Вселенной достаточно велико, чтобы обеспечить общую положительную кривизну. Пространство тогда замкнулось бы само на себя во всех направлениях. Этого нельзя понять полностью, не углубляясь в четырехмерную неевклидову геометрию, но смысл можно схватить достаточно легко с помощью двухмерной модели. Представим себе плоскую страну Плосковию, где живут двухмерные существа. Они считают свою страну евклидовой плоскостью, которая простирается безгранично во всех направлениях. Правда, солнца Плосковии являются причиной появления на этой плоскости различных выпуклостей, но это локальные выпуклости, которые не влияют на общую гладкость. Существует, однако, другая возможность, которую могут себе представить астрономы этой страны. Может быть, каждая локальная выпуклость производит небольшое искривление всей плоскости таким образом, что суммарное действие всех солнц будет приводить к деформированию этой плоскости в нечто похожее на поверхность бугристой сферы. Подобная поверхность была бы тем не менее безграничной в том смысле, что вы могли бы двигаться в любом направлении вечно и никогда не достичь границы. Воин Плосковии не смог бы найти такое место, дальше которого ему некуда было бы метнуть свое плоское копье. Однако поверхность страны была бы конечной. Путешественник, совершающий поездку по «прямой линии» достаточно долго, в конце концов прибыл бы обратно туда же, откуда начал свой путь.

Математики говорят, что подобная поверхность «замкнута». Она, конечно, не безгранична. Подобно бесконечному евклидовому пространству, центр ее везде, периферии не существует. Эту «замкнутость», топологическое свойство такой поверхности, обитатели этой страны могут легко проверить. Один критерий уже упоминался: движение вокруг сферы во всех направлениях. Другой способ проверки состоял бы в окраске этой поверхности. Если бы житель этой страны, начав с какого-то места, стал рисовать все большие и большие окружности, он в конце концов заключил бы себя внутрь пятна на противоположной стороне сферы. Однако, если эта сфера велика и жители занимают небольшую часть ее, у них не будет возможности произвести подобные топологические испытания.

Эйнштейн предположил, что наше пространство является трехмерной «поверхностью» огромной гиперсферы (четырехмерной сферы). Время в его модели остается неискривленным; это прямая координата, уходящая назад в бесконечно далекое прошлое и простирающаяся бесконечно далеко вперед в будущее. Если эту модель представлять себе как четырехмерную пространственно-временную структуру, она больше напоминает гиперцилиндр, чем гиперсферу. По этой причине такую модель обычно называют моделью «цилиндрической Вселенной». В любой момент времени мы видим пространство как своего рода трехмерное поперечное сечение гиперцилиндра. Каждое поперечное сечение представляет собой поверхность гиперсферы.

Наша Галактика занимает только незначительную часть этой поверхности, так что пока еще нет возможности выполнить топологический эксперимент, который доказал бы ее замкнутость. Но принципиальная возможность доказать замкнутость существует. Установив достаточно мощный телескоп в каком-то направлении, можно сфокусировать его на определенной галактике, а затем, повернув телескоп в противоположную сторону, увидеть обратную сторону той же самой галактики. Если бы существовали космические корабли со скоростью, близкой к скорости света, то они могли бы описать круг по Вселенной, двигаясь в любом направлении по наиболее прямой линии, которая только возможна.

Вселенную нельзя «окрасить» в буквальном смысле этого слова, но можно сделать по существу то же самое, составляя сферические карты Вселенной все больших и больших размеров. Если картограф будет делать это достаточно долго, то он сможет обнаружить, что он оказался внутри той сферы, карту которой он составляет. Эта сфера будет становиться все меньше и меньше по мере того, как он продолжает свое занятие, подобно тому кругу, который уменьшается, когда житель Плосковии заключает себя внутрь пятна.

В некоторых отношениях неевклидова модель Эйнштейна проще классической модели, в которой пространство не искривлено. Она проще в том же самом смысле, в котором можно сказать, что круг проще прямой линии. Прямая линия простирается в бесконечность в обе стороны, а бесконечность в математике- очень сложная вещь! Удобство окружности в том, что она ограничена. Она не имеет концов, никому не приходится беспокоиться о том, что произойдет с этой линией в бесконечности. В аккуратной эйнштейновской Вселенной никому не приходится заботиться обо всех свободных концах в бесконечности, о том, что в космологии любят называть «граничными условиями». В уютной Вселенной Эйнштейна граничных проблем не существует, потому что она не имеет границ.

Другие космологические модели, полностью согласующиеся с общей теорией относительности, обсуждались в двадцатых годах. Некоторые из них имеют свойства даже более необычные, чем цилиндрическая Вселенная Эйнштейна. Голландский астроном Биллем де Ситтер разработал модель замкнутой, ограниченной Вселенной, в которой время искривляется так же, как и пространство. Чем дальше смотришь сквозь пространство де Ситтера, тем более медленно идущими кажутся часы. Если посмотреть достаточно далеко, можно увидеть области, где время совершенно остановилось, «как на чаепитии у сумасшедшего Шляпочкина, - пишет Эддингтон, - где всегда шесть часов вечера».

«Не нужно думать при этом, что существует какая-то граница», - объясняет Бертран Рассел в «Азбуке теории относительности». «Люди, живущие в стране, которую наш наблюдатель считает страной лотофагов, живут точно в такой же суете, как и сам наблюдатель, и им кажется, что он сам застыл в вечной неподвижности. На самом деле вы никогда бы не узнали об этой стране лотофагов, поскольку понадобилось бы бесконечно большое время, чтобы свет дошел от нее к вам. Вы смогли бы узнать о местах, расположенных недалеко от нее, но она сама оставалась бы всегда за горизонтом». Конечно, если бы вы направились к этой области на космическом корабле, держа ее с помощью телескопа под постоянным наблюдением, вы увидели бы, что по мере вашего приближения к ней ход времени там медленно ускоряется. Когда вы туда прибудете, все будет двигаться с обычной скоростью. Земля лотофагов будет теперь находиться на краю нового горизонта.

Обращали ли вы внимание на то, что, когда самолет, пролетая низко над вами, резко взмывает вверх, высота звука от его моторов сразу немного понижается? Это называется эффектом Допплера по имени австрийского физика Христиана Иоганна Допплера, открывшего этот эффект в середине девятнадцатого века. Он легко объясним. Когда самолет приближается, то звуковые волны от его двигателей колеблют вашу барабанную перепонку более часто, чем это было бы при неподвижном самолете. Это увеличивает высоту звука. Когда самолет удаляется, ощущаемые вашими ушами толчки от звуковых колебаний менее часты. Звук становится ниже.

Абсолютно то же самое происходит в том случае, когда источник света быстро движется к вам или от вас При этом неизменной должна оставаться скорость света (которая всегда постоянна), но не его длина волны. Если вы и источник света движетесь навстречу друг другу, то эффект Допплера укорачивает длину световой волны света, сдвигая цвет в сторону фиолетового конца спектра. Если вы и источник света удаляетесь один от другого, то эффект Допплера дает подобное же смещение к красному концу спектра.

Георгий Гамов на одной из своих лекций рассказал историю (несомненно, анекдотическую) с эффектом Допплера, которая слишком хороша, чтобы не привести ее здесь. Это случилось, кажется, с известным американским физиком из университета Джона Гопкинса Робертом Вудом, который был задержан в Балтиморе за езду на красный свет. Представ перед судьей, Вуд на основе эффекта Допплера блестяще объяснил, что из-за большой скорости его движения произошел сдвиг красного света к фиолетовому концу спектра, из-за чего он воспринял его как зеленый. Судья был склонен оправдать Вуда, но на суде случайно оказался один из студентов Вуда, которого Вуд незадолго до этого провалил. Он быстро вычислил скорость, которая требуется, чтобы огонь светофора из красного стал зеленым. Судья отказался от первоначального обвинения и оштрафовал Вуда за превышение скорости.

Допплер думал, что открытый им эффект объясняет видимый цвет далеких звезд: красноватые звезды должны двигаться от Земли, голубоватые звезды - к Земле. Как оказалось, дело было не в этом (эти цвета объяснялись другими причинами); в двадцатых годах нашего века было открыто, что свет от удаленных галактик обнаруживает явное смещение в красную сторону, которое нельзя объяснить достаточно убедительно иначе, как допуская, что эти галактики движутся от Земли. Более того, это смещение возрастает в среднем пропорционально расстоянию от галактики до Земли. Если до галактики А в два раза дальше, чем до галактики Б, то красное смещение от А примерно в два раза больше красного смещения от Б. По утверждению английского астронома Фреда Хойла, красное смещение для ассоциации галактик в созвездии Гидры свидетельствует о том, что эта ассоциация удаляется от Земли с громадной скоростью, равной примерно 61 000 км/сек.

Делались различные попытки объяснить красное смещение не эффектом Допплера, а каким-либо иным способом. По теории «усталости света» чем дольше свет находится в пути, тем меньше частота его колебаний. (Это прекрасный пример гипотезы ad hoc , т. е. гипотезы, связанной только с этим частным явлением, поскольку других свидетельств в ее пользу нет.) Другое объяснение состоит в том, что прохождение света сквозь космическую пыль приводит к появлению смещения. В модели де Ситтера это смещение четко следует из искривления времени.

Но простейшее объяснение, которое наилучшим образом согласуется с другими известными фактами, состоит в том, что красное смещение действительно свидетельствует о реальном движении галактик. Исходя из этого предположения, вскоре была развита новая серия моделей «расширяющейся Вселенной».

Однако это расширение не означает, что расширяются сами галактики или что (как это теперь считают) увеличиваются расстояния между галактиками в ассоциациях галактик. По-видимому, это расширение влечет за собой увеличение расстояний между ассоциациями. Представьте себе гигантский ком теста, в который вкраплено несколько сот изюмин. Каждая изюмина представляет собой ассоциацию галактик. Если это тесто сажают в печь, оно расширяется равномерно по всем направлениям, но размеры изюмин остаются прежними. Увеличивается расстояние между изюминами. Ни одна из изюмин не может быть названа центром расширения. С точки зрения любой отдельной изюмины все остальные изюмины кажутся удаляющимися от нее.

Чем больше расстояние до изюмины, тем больше кажущаяся скорость ее удаления.

Модель Вселенной Эйнштейна статична. Это объясняется тем, что он развил эту модель до того, как астрономы обнаружили расширение Вселенной. Чтобы предотвратить стягивание своей Вселенной гравитационными силами и ее гибель, Эйнштейн вынужден был в своей модели предположить, что существует еще одна сила (он ввел ее в модель с помощью так называемой «космологической постоянной»), роль которой заключается в отталкивании и удержании звезд на некотором расстоянии друг от друга.

Выполненные позже вычисления показали, что модель Эйнштейна неустойчива, подобно монете, стоящей на ребре. Малейший толчок заставит ее упасть либо на лицевую, либо на обратную сторону, причем первое соответствует расширяющейся, второе - сжимающейся Вселенной. Открытие красного смещения показало, что Вселенная во всяком случае не сжимается; космологи обратились к моделям расширяющейся Вселенной.

Конструировались всевозможные модели расширяющейся Вселенной. Советский ученый Александр Фридман и бельгийский аббат Жорж Леметр разработали две наиболее известные модели. В некоторых из этих моделей пространство предполагается замкнутым (положительная кривизна), в других - незамкнутым (отрицательная кривизна), в третьих вопрос о замкнутости пространства остается открытым.

Одна из моделей была предложена Эддингтоном, который описал ее в увлекательной книге «Расширяющаяся Вселенная». Его модель по существу очень похожа на модель Эйнштейна, она замкнута, подобно огромному четырехмерному шару, и равномерно расширяется по всем своим трем пространственным измерениям. В настоящее время, однако, у астрономов нет уверенности в том, что пространство замкнуто на себя. По-видимому, плотность материи в пространстве недостаточна, чтобы привести к положительной кривизне. Астрономы отдают предпочтение незамкнутой или бесконечной Вселенной с общей отрицательной кривизной, напоминающей поверхность седла.

Читатель не должен думать, что если поверхность сферы имеет положительную кривизну, то изнутри эта поверхность будет иметь отрицательную кривизну. Кривизна сферической поверхности положительна независимо от того, с какой стороны на нее смотреть - снаружи или изнутри. Отрицательная кривизна поверхности седла вызвана тем, что в любой своей точке эта поверхность искривлена по-разному. Она вогнута, если вы проводите по ней рукой от задней части к передней, и выпукла, если вы ведете руку от одного края к другому. Одна кривизна выражается положительным числом, другпя - отрицательным. Чтобы получить кривизну этой поверхности в данной точке, эти два числа надо перемножить. Если во всех точках это число отрицательно, как должно быть, когда поверхность в любой точке искривляется по-разному, то говорят, что эта поверхность имеет отрицательную кривизну. Поверхность, окружающая дырку в торе (бублике), - другой известный пример поверхности отрицательной кривизны. Конечно, подобные поверхности являются лишь грубыми моделями трехмерного пространства отрицательной кривизны.

Возможно, с появлением более мощных телескопов удастся решить вопрос о том, какова кривизна Вселенной - положительна, отрицательна или равна нулю. Телескоп позволяет видеть галактики лишь в определенном сферическом объеме. Если галактики распределены случайным образом и если пространство евклидово (нулевой кривизны), число галактик внутри подобной сферы должно быть всегда пропорционально кубу радиуса этой сферы. Другими словами, если построить телескоп, которым можно заглянуть в два раза дальше, чем любым телескопом до этого, то число видимых галактик должно увеличиться с n до 8n . Если этот скачок окажется меньше, то это будет означать, что кривизна Вселенной положительна, если больше - отрицательна.

Можно подумать, что должно быть наоборот, но рассмотрим случай двухмерных поверхностей с положительной и отрицательной кривизной. Предположим, что из плоского листа резины вырезан круг.

На него наклеены изюмины на расстояниях в полсантиметра одна от другой. Для того чтобы придать этой резине форму сферической поверхности, ее необходимо сжать, и многие изюмины сблизятся. Иными словами, если на сферической поверхности изюмины должны оставаться на расстоянии в полсантиметра одна от другой, то потребуется меньше изюмин. Если же резину наложить на поверхность седла, то изюмины раздвинутся на большие расстояния, т. е. чтобы на поверхности седла сохранить расстояния между изюминами в полсантиметра, потребуется больше изюмин. Мораль, вытекающая из всего этого, в шутливой форме может быть выражена так: когда вы покупаете бутылку пива, обязательно скажите продавцу, что вы хотите бутылку, содержащую пространство, искривленное отрицательно, а не положительно?

В моделях расширяющейся Вселенной не требуется космологическая постоянная Эйнштейна, приводящая к гипотетическому расталкиванию звезд.

(Позже Эйнштейн считал концепцию космологической постоянной самой большой ошибкой, сделанной им когда либо.) С появлением этих моделей сразу же прояснился вопрос с парадоксом Олберса о яркости ночного неба. Статическая модель Эйнштейна мало помогла в этом отношении. Правда, она содержит только конечное количество солнц, но из-за замкнутости пространства в модели свет от этих солнц вынужден вечно обходить Вселенную, изгибая свою траекторию в соответствии с местными искривлениями пространства - времени. В результате ночное небо освещено так же ярко, как и в случае бесконечного количества солнц, если не предположить, что Вселенная настолько молода, что свет смог совершить лишь ограниченное число кольцевых витков.

Понятие расширяющейся Вселенной очень просто устраняет этот парадокс. Если далекие галактики удаляются от Земли со скоростями, пропорциональными расстояниям до них, то полное количество света, достигающего Землю, должно уменьшаться. Если какая-либо галактика находится достаточно далеко, ее скорость может превысить световую, тогда свет от нее вообще никогда не достигнет нас. Сейчас многие астрономы всерьез считают, что если бы Вселенная не была расширяющейся, то не было бы буквально никакой разницы между ночью и днем.

Тот факт, что скорость далеких галактик относительно Земли может превышать скорость света, является, казалось бы, нарушением того положения, что ни одно материальное тело не может двигаться быстрее света. Но, как мы видели в гл. 4, это положение имеет силу только в условиях, которые соответствуют требованиям специальной теории относительности. В общей теории относительности его следует перефразировать так: никакие сигналы не могут быть переданы быстрее света. Но все еще остается спорным такой важный вопрос: могут ли на самом деле далекие галактики преодолеть световой барьер и, став невидимыми, навсегда исчезнуть из поля зрения человека, даже если он будет располагать наиболее мощными телескопами, которые можно себе представить. Некоторые специалисты считают, что скорость света действительно является пределом и что самые далекие галактики просто будут делаться более тусклыми, не становясь никогда полностью невидимыми (при том условии, конечно, что человек будет располагать достаточно чувствительными приборами для их наблюдения).

Старые галактики, как кто-то однажды заметил, никогда не умирают. Они просто постепенно исчезают. Важно понять, однако, что ни одна галактика не исчезает в том смысле, что исчезает ее материя из Вселенной. Она просто достигает такой скорости, что становится невозможным или почти невозможным обнаружить ее в земные телескопы. Исчезающая галактика продолжает быть видимой со всех галактик, находящихся ближе к ней. Для каждой галактики существует такой «оптический горизонт», сферическая граница, за которую ее телескопы не могут проникнуть. Эти сферические горизонты для любых двух галактик не совпадают. Астрономы подсчитали, что точка, после которой галактики начнут исчезать из нашего «поля зрения», находится примерно в два раза дальше, чем область досягаемости любого современного оптического телескопа. Если это предположение правильно, то сейчас видима примерно одна восьмая часть всех галактик, которые когда-то можно будет наблюдать.

Если Вселенная расширяется (неважно, является ли пространство плоским, незамкнутым или замкнутым), то возникает такой каверзный вопрос. На что была похожа Вселенная раньше? Существуют два различных способа ответить на этот вопрос, две современные модели Вселенной. Обе модели рассмотрены в следующей главе.

Примечания:

Персонаж книги Льюиса Кзррола «Алиса в стране чудес». - Прим. перев .

Страна изобилия и праздности, см. «Одиссею». - Прим. перев .