Эволюция Вселенной

Введение. 

Проблема зарождения и существования Вселенной во все времена занимала человечество. Небо, которое было доступно для  его обозрения, очень его интересовало. Недаром астрономия считается одной  из самых древних наук. Для изучения вселенной вцелом, в астрономии появилась новая наука- космология. 

По определению  А.Л. Зеяьманова (1913-1987) космология - это  совокупность накопленных теоретических  положений о строении вещества и  структуре Вселенной, как цельного объекта, так и отдельные научные  знания охваченного астрономическими наблюдениями мира как части Вселенной. 

Выводы космологии называются моделями происхождения  и развития

Вселенной. Почему моделями? Дело в том, что одним  из основных принципов современного естествознания является возможность  проведения управляемого эксперимента над изучаемым объектом. Только если можно провести любое количество экспериментов и все они приводят к одному результату, то на основе этих экспериментов делают заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. Лишь в этом случае результат считается достоверным с научной точки зрения. 

К Вселенной  это методологическое правило остается неприменимым.

Наука формулирует  универсальные законы, а Вселенная  уникальна. Это противоречие, которое  требует считать все заключения о происхождении и развитии Вселенной не законами, а лишь моделями, т. е. возможными вариантами объяснения. 

Теории ХХ в. о происхождении Вселенной. 

Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. В основе этой модели лежат два предположения: 1) свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках

(однородность) и направления (изотропность); 2) наилучшим  известным описанием гравитационного  поля являются уравнения Эйнштейна.  Из этого следует так называемая  кривизна пространства и связь,  кривизны с плотностью массы.  Космологию, основанную на этих постулатах называют релятивистской.

Важным пунктом  данной модели является ее нестационарность, это означает, что Вселенная не может находиться в статическом, неизменном состоянии. 

Новый этап в  развитии релятивистской космологии был  связан с исследованиями русского ученого А.А. Фридмана (1888-1925), который математически доказал идею саморазвивающейся Вселенной. Работа А.А.Фридмана в корне изменила основоположения прежнего научного мировоззрения. По его утверждению космологические начальные условия образования Вселенной были сингулярными. Разъясняя характер эволюции Вселенной, расширяющейся начиная с сингулярного состояния, Фридман особо выделял два случая: а) радиус кривизны Вселенной с течением времени постоянно возрастает, начиная с нулевого значения; б) радиус кривизны меняется периодически: Вселенная сжимается в точку (в ничто, сингулярное состояние), затем снова из точки, доводит свой радиус до некоторого значения, далее опять, уменьшая радиус своей кривизны, обращается в точку, и т.д. 

На этот вывод не было обращено внимания вплоть до открытия американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого

«красного смещения». Красное смещение — это понижение  частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии  смещаются к его красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринимаемая вами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн. 

Так вот, для  всех далеких источников света красное  смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем  в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждает гипотезу об удалении их, т. е. о расширении

Метагалактики — видимой части Вселенной. 

Составной частью модели расширяющейся Вселенной  является представление о Большом  Взрыве, происшедшем где-то примерно 12 —18 млрд. лет назад. 

Джордж Лемер  был первым, кто выдвинул концепцию  «Большого взрыва» из так называемого  «первобытного атома» и последующего превращения его осколков в звезды и галактики. Конечно, со стороны  современного астрофизического знания данная концепция представляет лишь исторический интерес, но сама идея первоначального взрывоопасного движения космической материи и ее последующего эволюционного развития неотъемлемой частью вошла в современную научную картину мира. 

Принципиально новый этап в развитии современной  эволюционной космологии связан с именем американского физика Г.А.Гамова (1904-1968), благодаря которому в науку вошло понятие горячей Вселенной. Согласно предложенной им модели «начала» эволюционирующей Вселенной «первоатом»

Леметра состоял  из сильно сжатых нейтронов, плотность которых достигала чудовищной величины - один кубический сантиметр первичного вещества весил миллиард тонн. В результате взрыва этого «первоатома» по мнению Г.А.Гамова образовался всоеобраэный космологический котел с температурой порядка трей миллиардов градусов, где и произошел естественный синтез химических элементов. Осколки первичного яйца - отдельные нейтроны затем распались на электроны и протоны, которые, в свою очередь, соединившись с нераспавшимися нейтронами, образовали ядра будущих атомов. Все это произошло в первые 30 минут после «Большого Взрыва. 

Горячая модель представляла собой конкретную астрофизическую  гипотезу, указывающую пути опытной  проверки своих следствий. Гамов  предсказал существование в настоящее  время остатков теплового излучения первичной горячей плазмы, а его сотрудники Дльфер и Герман еще в 1948 г. довольно точно рассчитали величину температуры этого остаточного излучения уже современной Вселенной. Однако Гамову и его сотрудникам не удалось дать удовлетворительное объяснение естественному образованию и распостраненности тяжелых химических элементов во Вселенной, что явилось причиной скептического отношения к его теории со стороны специалистов. Как оказалось, предложенный механизм ядерного синтеза не мог обеспечить возникновение наблюдаемого ныне количества этих элементов. 

Ученые стали  искать иные физические модели «начала». В 1961 году академик Я.Б. Зельдович выдвинул альтернативную холодную модель, согласно которой первоначальная плазма состояла из смеси холодных ( с температурой ниже абсолютного нуля) вырожденных частиц - протонов, электронов и нейтрино. Три года спустя астрофизики И.Д. Новиков и А.Г. Дорошкевич произвели сравнительный анализ двух противоположных моделей космологических начальных условий - горячей и холодной и указали путь опытной проверки и выбора одной из них. Было предложено с помощью изучения спектра излучений звезд и космических радиоисточников попытаться обнаружить остатки первичного излучения. Открытие остатков первичного излучения подтверждало бы правильность горячей модели, а если таковые не существуют, то это будет свидетельствовать в пользу холодной модели. 

В конце 60-х годов  группа американских ученых во главе  с Р. Дикке приступила к попыткам обнаружить реликтовое излучение. Но их опередили Л.

Пепзиас и Р. Вильсон, получившие в 1978 г. Нобелевскую  премию за открытие микроволнового фона (это официальное название реликтового  излучения) на волне 7,35 см. 

Примечательно, что будущие лауреаты Нобелевском  премии не искали реликтовое излучение, а в основном занимались отладкой радиоантенны, для работы по программе спутниковой связи. С июля 1964 г. по апрель 1965 г они при различных положениях антенны регистрировали космическое излучение, природа которого первоначально была им не ясна. Этим излучением и оказалось реликтовое излучение. 

Таким образом, в результате астрономических наблюдений последнего времени удалось однозначно решить принципиальный вопрос о характере  физических условий, господствовавших на ранних стадиях космической эволюции: наиболее адекватной оказалась горячая модель «начала». Сказанное, однако, не означает, что подтвердились все теоретические утверждения и выводы космологической концепции Гамова. Из двух исходных гипотез теории - о нейтронном составе «космического яйца» и горячем состоянии молодой

Вселенной - проверку временем «выдержала «только «последняя, указывающая на количественное преобладание излучения над веществом у  истоков ныне наблюдаемого космологического расширения. 

Современная наука  о происхождении Вселенной. 

На нынешней стадии развития физической космологии на передний план выдвинулась задача создания тепловой истории Вселенной, в особенности сценария образования  крупномасштабной структуры Вселенной. Последние теоретические изыскания  физиков велись в направлении следующей фундаментальной идеи: в основе всех известных типов физических взаимодействий лежит одно универсальное взаимодействие; электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное взаимодействия являются различными гранями единого взаимодействия, расщепляющегося по мере понижения уровня энергии соответствующих физических процессов. Иначе говоря, при очень высоких температурах (превышающих определенные критические значения) различные типы физических взаимодействий начинают объединяться, а на пределе все четыре типа взаимодействия сводятся к одному единственному протовзаимодействию, называемому «Великим синтезом». 

Согласно квантовой  теории то, что остается после удаления частиц материи ( к примеру, из какого-либо закрытого сосуда с помощью вакуумного насоса), вовсе не является пустым в буквальном смысле слова, как это считала классическая физика. Хотя вакуум не содержит обычных частиц, он насыщен «полуживыми», так называемыми виртуальными тельцами. Чтобы их превратить в настоящие частицы материи, достаточно возбудить вакуум, например, воздействовать на него электромагнитным полем, создаваемым внесенными в него заряженными частицами. 

Но что же все таки явилось причиной «Большого  Взрыва»? Судя по данным астрономии физическая величина космологической постоянной, фигурирующей в эйнштейновских уравнениях тяготения, очень мала, возможно близка к нулю. Но даже будучи столь ничтожной, она может вызвать очень большие космологические последствия. Развитие квантовой теории поля привело к еще более интересным выводам. Оказалось, что космологическая постоянная является функцией от энергии, в частности зависит от температуры. При сверхвысоких температурах, господствовавших на самых ранних фазах развития космической материи, космологическая постоянная могла быть очень большой, а главное, положительной по знаку. Говоря другими словами, в далеком прошлом вакуум мог находиться в чрезвычайно необычном физическом состоянии, характеризуемом наличием мощных сил отталкивания.

Именно эти  силы и послужили физической причиной «Большого Взрыва» и последующего быстрого расширения Вселенной. 

Рассмотрение  причин и последствий космологического «Большого

Взрыва» было бы не полным без еще одного физического  понятия. Речь идет о так называемом фазовом переходе (превращении), т.е. качественном превращении вещества, сопровождающимся резкой сменой одного его состояния другим. Советские ученые-физики Д.А. Киржниц и А.Д. Линде первыми обратили внимание на то, что в начальной фазе становления Вселенной, когда космическая материя находилась в сверхгорячем, но уже остывающем состоянии, могли происходить аналогичные физические процессы (фазовые переходы). 

Дальнейшее изучение космологических следствий фазовых  переходов с нарушенной симметрией привело к новым теоретическим открытиям и обобщениям. Среди них обнаружение ранее неизвестной эпохи в саморазвитии

Вселенной. Оказалось, что в ходе космологического фазового перехода она могла достичь состояния  чрезвычайно быстрого расширения, при  котором ее размеры увеличились во много раз, а плотность вещества оставалась практически неизменной. Исходным же состоянием, давшим начало раздувающейся Вселенной, считается гравитационный вакуум. Резкие изменения, сопутствующие процессу космологического расширения пространства характеризуются фантастическими цифрами. Так предполагается, что вся наблюдаемая Вселенная возникла из единственного вакуумного пузыря размером меньше 10 в минус 33 степени см! Вакуумный пузырь, из которого образовалась наша Вселенная, обладал массой, равной всего-навсего одной стотысячной доле грамма.