Основные космологические гипотезы от древности до наших дней

ВВЕДЕНИЕ.





   С того времени, когда Галилей впервые с помощью телескопа исследовал Млечный Путь, мы знаем, что он состоит из звезд, а Солнце представляет собой лишь одну из сотен миллиардов звезд, образующих Галактику Млечного Пути, а за пределами нашей Галактики лежит необъятная Вселенная. За последние годы наука добилась захватывающих результатов. Космология, оперирующая на уровне сверхбольших величин, а физика элементарных частиц – на уровне невероятно малых величин, мощнейшие оптические, инфракрасные, рентгеновские и радиотелескопы – все это позволило создать потрясающую современную картину – Вселенную, невообразимо распростершуюся в пространстве и времени, содержащую множество поразительных объектов, движущихся с невероятными скоростями. Естественно встает вопрос: было ли у Вселенной начало, и что было таким «началом», каков возраст Вселенной, будет ли конец ее существованию?



Основные космологические гипотезы от древности до наших дней.





       

В начале 20-х гг. XX в. Вселенная казалась астрономам постоянной и неизменной, но новые достижения в теории и результаты наблюдений развеяли представление о статичности Вселенной. В 1917 г. Альберт Эйнштейн создал общую теорию относительности (ОТО). Она описывала природу гравитации, а поведение Вселенной определялось именно гравитацией. На языке уравнений Эйнштейна гравитация представляет собой искривленное пространство (точнее, пространство- время), степень искривленности которого определяется количеством материи во Вселенной. Согласно эйнштейновской теории Вселенной пространство- время – это нечто живущее собственной динамичной жизнью, искривляющаяся, расширяющаяся или сжимающаяся в соответствии со строго определенными законами. Эйнштейн, который, как и все его современники исходил из статичности и неизменности вселенной ужаснулся, когда из его уравнений стало видно, что пространство- время должно расширятся, – что Вселенная должна становиться все больше, - и исправил уравнение, добавив новый член, - «космологическую постоянную», с целью ликвидировать расширение и восстановить статичность. Позднее он назвал это своей самой серьезной научной ошибкой.

В начале 20-х гг. уравнения Эйнштейна, описывающие природу Вселенной, были рассмотрены советским ученым А. Фридманом, который в 1922 г. получил стандартный набор решений. Модели Фридмана, как их называют, дают основные предпосылки нашего представления о Вселенной: с течением времени Вселенная должна эволюционировать. Была предсказана необходимость существования в прошлом «сингулярного состояния» – вещества огромной плотности, а значит, и необходимость какой-то причины побудившей сверхплотное вещество начать расширятся. Это было теоретическим открытием взрывающейся Вселенной, открытие было сделано без наличия каких-либо идей о самом взрыве, о причине начала расширения Вселенной. Эйнштейн сначала не соглашался с выводами советского математика, но потом полностью их признал. Позднее он стал склоняться к мысли, что /\ - член (так обозначают космологическую постоянную) не следует вводить в уравнения тяготения, если их решение для всего мира можно получить и без космологической постоянной.

Идеи требовали подтверждения. Именно в это время астрономы создали ряд больших телескопов для исследования Вселенной и обнаружили, на сколько ограничены были их прежние взгляды.

Американский астроном Эдвин Хаббл, работавший в обсерватории Маунт-Вильсон в Калифорнии, в1929 г. обнаружил, что многие туманные пятна в небе удается разделить на отдельные звезды, и они есть ни что иное, как самостоятельные галактики, лежащие далеко за пределами Млечного Пути. Затем Хаббл сделал еще более грандиозное открытие, он обнаружил, что у далеких галактик систематически наблюдается красное смещение в спектрах, пропорциональное расстоянию от каждой галактики до Земли. Это красное смещение представляет собой сдвиг линий видимого спектра в красную область по сравнению с ожидаемой картиной. Это явление можно толковать как удлинение световых волн т.к. красный свет соответствует длинноволновому краю видимого спектра (голубой свет имеет более короткие длины волн, сокращение длин волн вызвало бы голубой сдвиг). Существует приемлемое единственное объяснение этого явления: длина волны света увеличивается, потому что галактика удаляется от нас. Однако это не означает, что наша галактика находится в центре Вселенной, а все остальные удаляются от нее. Представьте себе раздувающийся резиновый шарик с нанесенными на него точками. Каждая точка «видит», как любая другая удаляется со скоростью пропорциональной расстоянию, разделяющему их, но в действительности ни одна из точек не движется по поверхности шара. По закону Хаббла Вселенная ведет себя аналогичным образом, пустое пространство – Эйнштейновское пространство-время расширяется и раздвигает галактики все дальше друг от друга, хотя сами они не движутся в пространстве.

       Космологические модели приводят к выводу, что судьба расширяющейся Вселенной зависит только от средней плотности заполняющего её вещества и от значения постоянной Хаббла. Если средняя плотность равна или ниже некоторой критической плотности, расширение Вселенной будет продолжаться вечно. Если же плотность окажется выше критической, то расширение рано или поздно остановится и сменится сжатием.  Красное смещение линий в спектрах галактик тогда обратится в фиолетовое, поскольку расстояния между галактиками будут уменьшаться. Чему же равна эта таинственная критическая плотность мира? Оказалось, что её значение определяется только современным значением постоянной Хаббла (Но) и составляет ничтожную величину - около Ю'29 г/см3, или 10'5 атомных единиц массы в каждом кубическом сантиметре. При такой плотности грамм вещества содержится в кубе со стороной около 40 тыс. километров!

Определить точно постоянную Хаббла непросто. Галактики могут иметь довольно высокие случайные скорости (до 1000-2000 км/с), никак не связанные с космологическим расширением. Чтобы вычислить постоянную Хаббла, приходится измерять красные смещения не близких, а достаточно далёких галактик, расстояния до которых установить очень трудно. По современным оценкам, наиболее вероятное значение  Но лежит в интервале 60-80 км/(с-Мпк).

       Определить из наблюдений истинную среднюю плотность материи Вселенной, оказывается, ещё сложнее, чем найти постоянную Хаббла и вычислить критическую плотность. Из астрономических наблюдений следует, что средняя плотность всего видимого вещества - звёзд, пыли и межзвёздного газа - не превышает 10% от критической плотности. Однако помимо наблюдаемого вещества во Вселенной, безусловно, присутствует и загадочное невидимое, или тёмное вещество, ничем не проявляющее себя, кроме гравитационного поля. Измерить плотность тёмного вещества - задача чрезвычайно сложная. Многие теоретические соображения заставляют думать, что плотность Вселенной с учётом тёмного вещества должна быть равна критической или немного ниже её. Этот важнейший космологический вопрос до сих пор остаётся открытым.









  Концепция Большого Взрыва и ее экспериментальное обоснование.





Астрономы в 30-х гг. ХХ в., и в течение трех последующих десятилетий надеялись, что у Вселенной должно быть начало, с которого пошел процесс расширения. Но лишь в 60-х гг. эта идея стала превращаться в нечто более конкретное. До этого Большой Взрыв казался абстракцией, его нельзя было ни увидеть, ни услышать, ни ощутить, у астрономов не было уверенности, что гипотеза верна. В 1964 г. Арно Пензиас Роберт и Вильсон, работая в американской лаборатории «Белл Телефон Лабораториз», нашли способ «ощутить» Большой Взрыв. При помощи чувствительной радиоантенны и системы усиления ученые изучали слабые радиосигналы, отражавшиеся спутниками «Эхо», а также легкий радиошум Млечного Пути, и к своему удивлению обнаружили слабый, но равномерный сигнал, приходящий со всех направлений в пространстве. Проходили месяцы, а он не менялся, хотя антенна направлялась на различные участки неба, вращаясь вместе с землей вокруг ее оси и вокруг Солнца. Шум не мог исходить от какого-либо источника на Земле, антенну разбирали, монтировали заново, но шум в коротковолновом приемнике не исчезал. В это время Пензиас и Вильсон узнали о расчетах П. Дж. Э. Пиблза, физика из Принстонского университета, из которых следовало, что если Вселенная возникла при Большом Взрыве, то для предотвращения слияния всех компактных частиц в тяжелые элементы и для сохранения достаточного количества водорода и гелия для формирования звезд и галактик во Вселенной необходимо наличие огромной плотности излучения. По мере расширения Вселенной излучение остывало, продолжая наполнять Вселенную, но в более «разбавленном» виде. Пиблз предсказал, что сегодня его можно обнаружить как излучение, с температурой на несколько градусов выше абсолютного нуля по шкале Кельвина. Расчеты Пиблза объясняли происхождение радиошума, который слышали Пензиас и Вильсон. Пространство – наша Вселенная – оказалось заполненным очень слабыми радиоволнами с энергией, эквивалентной 3оК (0о по шкале Кельвина соответствует–273 оС). По обычным стандартам это очень слабый сигнал, но, поскольку им заполнено все пространство, получается огромное количество энергии. Космическое излучение было отдаленным эхом Большого Взрыва, последним следом огненного шара, в котором зародилась Вселенная, ученые назвали его реликтовым излучением.

Доводы в защиту этой теории просты. Вселенная при рождении была очень горячей, с высокой концентрацией энергии и материи, расширялось пространство и излучение, но по мере расширения энергия рассредоточивалась, с уменьшением плотности энергии температура падала. Сейчас температура фонового излучения в точности соответствует расширению, произошедшему с момента Большого Взрыва. Если подсчитать общую плотность энергии, которая сегодня содержится в реликтовом излучении, то она окажется в 30 раз больше, чем плотность энергии в излучении от звезд, радиогалактик и других источников вместе взятых. Можно подсчитать число фотонов реликтового излучения, находящихся в каждом кубическом сантиметра Вселенной. Оказывается, что концентрация этих фотонов: N~500 штук в см3.

Большой Взрыв оказался нечем более реальным, чем результаты математических построений. В 1978 г. Пензиас и Вильсон были удостоены Нобелевской премии за свое открытие.







Критическая плотность материи и проблема скрытой массы Вселенной.







Из теории Фридмана следует, что возможны различные «космологические сценарии» эволюции Вселенной. Какой из этих «сценариев» реализуется – зависит от соотношения между критической и фактической плотностью вещества во Вселенной на каждом этапе эволюции. Для того чтобы оценить значения этих плотностей, рассмотрим сначала, как астрофизики представляют себе структуру Вселенной.

В настоящее время считается, что материя во Вселенной существует в трех формах: обычное вещество, реликтовое излучение и так называемое «темное» вещество. Обычное вещество сосредоточено в основном в звездах, которых только в нашей Галактике насчитывается около ста миллиардов. Размер нашей Галактики составляет 15 килопарсек. Предполагается, что во Вселенной существует до миллиарда различных галактик, среднее расстояние между которыми имеет порядок одного мегапарсека. Эти галактики распределены крайне неравномерно, образуя скопления (кластеры). Однако если рассмотреть Вселенную в очень большом масштабе, например, «разбивая» ее на «ячейки» с линейным размером, превышающим 300 мегапарсек, то неравномерность структуры  Вселенной уже не будет наблюдаться. Таким образом, в очень больших масштабах Вселенная является однородной и изотропной. Для такого равномерного распределения вещества можно рассчитать плотность рв ~3. 10-31 г/см.

Реликтовое излучение, теоретически предсказанное в 1947 году Г.Гамовым, было экспериментально обнаружено в 1965 гду А.Пензиасои и Р.Вильсоном за что была получена Нобелевская премия за 1978 год. Особенностью этого электромагнитного излучения является то, что оно в настоящее время не имеет источников, так как существует с момента образования Вселенной (Большого Взрыва). Эквивалентная этому излучению плотность вещества составляет рр ~ 5·10-34  г/см³, что много меньше рв  и, следовательно, может не приниматься в расчет при подсчете общей плотности материи во Вселенной.

Наблюдая за поведением галактик, ученые предположили, что помимо светящегося, «видимого» вещества самих галактик в пространстве вокруг них существуют, по-видимому. Значительные массы вещества, наблюдать которые непосредственно не удается. Эти «скрытые» массы проявляют себя только тяготением, которое сказывается на движении галактик в крупных скоплениях. По этим признакам оценивают и связанную с этим «темным» веществом плотность рт, которая, по расчетам, должна быть примерно в 100 раз больше, чем рв. Как будет видно из дальнейшего, именно «темное» вещество является, в конечном счете, «ответственным» за тот или иной «сценарий» эволюции Вселенной.

Чтобы убедиться в этом, оценим теперь критическую плотность вещества, начиная с которой «пульсирующий» сценарий эволюции сменяется «монотонным». Такую оценку, хотя и достаточно грубую, можно произвести на основании классической механики, без привлечения общей теории относительности. Из современной астрофизики нам потребуется только закон Хаббла, согласно которому любые две галактики удаляются друг от друга со скоростью v, пропорциональной расстоянию L между ними:  v=HL, H ~ 50-80 км/с мегапарсек – постоянная Хаббла.

Вычислим энергию некоторой галактики, имеющей массу m, которая находится на расстоянии L от «наблюдателя» V



Галактика   m



M



                                                 L



                        +

      Наблюдатель                                                                                       V

                   

                                                                             

                                                                                                                                           

                                                                                                                     

Энергия Е этой галактики складывается из кинетической энергии Т=mv² /2= mH² L² /2  и потенциальной  энергии U =- GMm/L, которая учитывает гравитационное взаимодействие галактики m с веществом массы М, находящимся внутри шара радиуса L. Выразив массу М через плотность р: М=4L³p/3 и учитывая закон Хаббла, выражение для энергии галактики:

E= T – G 4/3πmp v²/H² = T(1-G 8πp/3H²).

Из этого выражения видно, что в зависимости от значения плотности р энергия Е может быть либо положительной (Е>0), либо отрицательной (Е<0). В первом случае рассматриваемая галактика может удалиться на бесконечность, и это соответствует неограниченному монотонному расширению Вселенной (модель «открытой» Вселенной). Во втором случае расширение Вселенной в какой-то момент прекратится и сменится сжатием (модель «замкнутой» Вселенной). Критическое значение плотности соответствует условию Е=0, так что получаем  рк = 3Н²/ 8πG.

Подставив в это выражение известные значения Н и G=6,67·10¯¹¹м ³/кг с², получаем значение критической плотности р ~10¯²9г/см³. Таким образом, если бы Вселенная состояла только из обычного «светящегося» вещества с плотностью рв ~3. 10-31 г/см³, то ее будущее было бы связано с неограниченным расширением. Однако, наличие «темного» вещества с плотностью рт >рв может привести к пульсирующей эволюции Вселенной, когда период расширения сменяется периодом сжатия (коллапсом) в «точку» и обратно.



Расширение и сжатие Вселенной:







Закрытая Вселенная



Открытая Вселенная«Радиус мира» (млрд. световых лет)



Сегодняшняя эпоха

18     0          20                   45               90     Время (млрд. лет)     

                                                                          







Считается, что рт ~ 3· 10-29г/см³. Этому значению плотности соответствует период цикла Т, составляющей около 90 млрд. лет. Сегодняшняя эпоха – 20 млрд. лет от начала расширения. При этом радиус Вселенной оценивается значением 15-18 млрд. световых лет.

     Уменьшение средней плотности вещества Вселенной в процессе ее расширения:





Большой ВзрывПлотность

                                                                       Время 

В соответствии с современными представлениями, которые, однако, нельзя считать «застывшими», так как они постоянно углубляются, уточняются, примерно 20 млрд. лет назад произошел так называемый Большой Взрыв, когда вещество всей Вселенной (~1051тонн) из спрессованного в объеме 10-36см³ состояния (что соответствует «радиусу» мира 10-13 см равного размеру ядра атома) начало расширяться. К концу первой секунды Вселенная занимала уже объем поперечником в триллион километров (примерно в сто раз больше нынешних размеров Солнечной системы).

Средняя плотность вещества измерялась в этот момент тонной на кубический сантиметр, а температура – десятком миллиардов градусов. Это уже гораздо холоднее, чем секунду назад, но еще достаточно горячо, чтобы создать иной мир по сравнению с нынешним. Здесь нет привычных атомов и атомных ядер, так как они не могут выдержать столь высокого нагрева. Нет вообще стабильных, раз и навсегда «отлившихся» элементарных частиц. Вспыхивая и снова исчезая словно пузырьки пены, беспрестанно рождаются пары частиц – нейтрино и антинейтрино, электроны и позитроны, протоны и антипротоны…

Проходит три с половиной минуты, и опять все меняется феерически. Радиус Вселенной теперь уже сорок световых лет. Средняя плотность – в сто раз меньше плотности воды, а температура падает до миллиарда градусов. Первозданная материя постепенно приобретает стабильные формы. Протоны рождают нейтроны, из протонов, нейтронов и электронов кристаллизуются первые атомные ядра простейших химических элементов – водорода  и гелия. К концу четвертой минуты Вселенная представляет собой нечто вроде горячей «каши» из 70 процентов (по весу) водорода и 30 процентов гелия.  «Каша» эта «сдобрена» квантами электромагнитного излучения и нейтрино. Кстати, в самый первый миг после взрыва при температурах выше триллиона градусов огненный шар космоса кишел нейтрино. Вместе с квантами электромагнитного поля они были той праматерией, которая предшествовала исторически всем остальным. Не исключено, что и сегодня вклад нейтрино в общий материальный баланс Вселенной является очень существенным.

Через двадцать – тридцать миллионов лет от огненного шара останется мало следов. Пространство холодно. Отдельные блуждающие в нем частицы, сталкиваясь и обмениваясь энергиями, дают общий температурный фон около нуля градусов. Однако эта Вселенная отнюдь не безжизненна. В ее холодном царстве то тут, то там вспыхивают и разгораются гигантские сгустки плотных масс материи – звезды.  







                          ЗАКЛЮЧЕНИЕ.





       В любом возможном сценарии эволюции Вселенной ее будущее представляется захватывающе интересным и многообразным. Правда, во всех вариантах в отдаленном будущем Вселенная будет совсем не похожа на окружающую нас сегодня либо это состояние очень разреженное и холодное, либо очень плотное и горячее. Ну что же Мы это должны четко понимать Вселенная эволюционирует непрерывно.  Прошлое ее было весьма своеобразным и не похожим на настоящее.  Будущее также будет весьма отличным от всего, что мы видим сегодня. Надо также четко понимать, что при этом в будущем нет ничего фатально неизбежного для разумной жизни в широком смысле этого слова. За ничтожный (по сравнению с эволюцией Вселенной) период цивилизации человеческая мысль овладела многими тайнами природы, заставила ее законы служить человеку.  Если мы будем достаточно благоразумны, чтобы сберечь жизнь на Земле в нашу эпоху бурных социальных потрясений,  то трудно вообразить, какого научного могущества мы достигнем через сто, тысячу, миллион, а тем более миллиарды лет. Человек (опять же в широком смысле слова) научится использовать для своего блага все законы эволюции Вселенной, научится управлять ими. Было бы наивно полагать, что Вселенная приготовила на все времена для человечества благодатные “тепличные” условия для существования. “Мы не должны ждать милости от природы. Взять их у нее — наша задача”. Эти слова известного естествоиспытателя, — гордые слова, достойные человечества. Конечно, при осуществлении подобных задач в масштабах Вселенной совершенно по-новому обернутся проблемы охраны природы и другие.  Но мы надеемся, что будущее общество найдет способы их решить.

       Подходя к концу  повествования, следует отметить, что, конечно же, серьезные изменения во Вселенной (по сравнению с нынешним ее состоянием) во всех случаях могут начаться очень не скоро не только в житейских, но и астрономических масштабах, как минимум через десятки, а может быть, тысячи миллиардов лет. Это во много раз больше нынешнего возраста видимой нами Вселенной, которой никак не больше 10— 20 миллиардов лет от начала расширения.

        Рассказ о вечно эволюционирующей, вечно молодой Вселенной не терпит итогов. Но что все же хочется специально подчеркнуть, так это особенно бурное развитие науки о Вселенной — космологии, приносящей новые удивительные открытия и новые фундаментальные знания. В эту науку сейчас приходит новое молодое поколение ученых, берущихся за решение еще недавно “неразрешимых проблем”.