Расширяющаяся Вселенная

Развитие концепций естествознания ХХ в. связано с распространением процесса активного познания на области микромира и мегамира. Теория относительности и квантовая физика знаменуют собой принципиально новый подход к изучению природы, решительный прорыв в область непознанного за счет отказа от традиционных представлений классической физики.

Становление и динамичный прогресс этих двух фундаментальных теорий оказались во многом связаны с изучением природы света. При желании в этом можно усмотреть определенную символику, поскольку свет (электромагнитное излучение) для человека является основным носителем информации, в том числе об удаленных от Земли мирах.

Неудивительно поэтому, что концепции относительности и квантовой природы материи объединились на пути построения космологических теорий, проливая свет на, казалось бы, недоступные для человеческого познания объекты мегамира.

Современная космология представляет собой учение о Вселенной как едином целом и о Метагалактике (всей охваченной астрономическими и астрофизическими наблюдениями области Вселенной) как части целого. Согласно основному философскому постулату космологии считается, что законы природы, установленные при изучении весьма ограниченной области Вселенной (как правило, вблизи нашей планеты), могут быть распространены (экстраполированы) на области значительно большие и в конечном счете – на всю Вселенную.

Возникновение современной космологии непосредственно связано с разработкой А. Эйнштейном общей теории относительности (релятивистской теории тяготения), а также с зарождением внегалактической астрономии, которое относится к 20-м гг. нашего столетия. Естественно, что релятивистская космология началась с модели стационарной Вселенной, разработанной самим А. Эйнштейном. Отбросив ньютоновские постулаты об абсолютности пространства и времени, он ввел новые, согласно которым мировое пространство однородно и изотропно, материя в нем распределена в среднем равномерно, а гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием, что обеспечивает стационарность Вселенной. Положения об однородности и изотропности Вселенной в наши дни часто называют космологическим постулатом.

Вскоре, однако, российский математик А. А. Фридман теоретически показал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной. Отказавшись от постулата о стационарности Вселенной, он предложил решение проблемы, которое остается общепринятым и в наше время. Работы А. А. Фридмана датируются 1922–1924 гг., а уже в 1929 г. принципиально новые результаты его исследований получили подтверждение благодаря открытию американским астрономом Эдвином Хабблом космологического красного смещения (эффекта «разбегания» галактик). Подробнее влияние этого открытия на развитие космологии будет рассмотрено ниже.

Из уравнений Эйнштейна следует, как известно, кривизна пространства-времени и связь этой кривизны с плотностью тяготеющих масс. Если, придерживаясь космологического постулата, считать, что во Вселенной отсутствуют гипотетические силы, противодействующие тяготению (такие силы, естественно, должны возрастать с расстоянием), то космологические уравнения приобретают простой вид, и из них следуют две возможных модели.

В случае если плотность вещества и излучения во Вселенной меньше определенной критической величины, то она неограниченно расширяется (открытая модель). Если, наоборот, эта плотность больше критической, то расширение на некотором этапе сменяется бесконечным сжатием до точечного состояния (замкнутая модель).

В ходе эволюции Вселенной кривизна ее пространства уменьшается при расширении, увеличивается при сжатии, но знак кривизны не меняется: в открытой модели она отрицательна и в пределе равна нулю (геометрия Лобачевского), в замкнутой модели кривизна положительная (риманово пространство). Начальная стадия эволюции, согласно обеим моделям, должна быть одной и той же. Речь идет об особом, уникальном начальном состоянии материи, называемом сингулярностью (от лат. – singularis – особый, отдельный). Начиная с определенного момента такая сингулярность претерпевает взрывоподобное расширение, которое со временем замедляется.

Общий характер эволюции Вселенной иллюстрирует рис. 1, на котором по оси абсцисс отложено время, а по оси ординат – масштабный фактор, например расстояние между двумя удаленными галактиками. Жирные линии показывают зависимость масштабного фактора от времени, тонкие – изменение кривизны пространства со временем. Видно, что для замкнутой модели возрастание расстояния между галактиками с определенного момента времени сменяется его сокращением. При этом кривизна вначале уменьшается, а затем, достигнув минимального значения, начинает расти. Для открытой модели масштабный фактор неограниченно возрастает (с замедлением), а кривизна стремится к нулю.

Рис. 1

Открытие Э. Хабблом космологического красного смещения, состоящего в смещении длин волн электромагнитного излучения галактик в сторону красного участка спектра вследствие их удаления от наблюдателя, служит важным экспериментальным подтверждением нестационарности Вселенной. Согласно установленному им закону относительное изменение расстояний между «разбегающимися» галактиками 1/R^.dR/d t = H представляет собой существенный параметр. Величина, обратная этому параметру (называемому постоянной Хаббла), определяет время, истекшее с момента начала разбегания галактик при условии постоянной скорости этого разбегания. В настоящее время значение Н составляет, по оценкам, 50–100 км/c на мегапарсек (парсек – единица длины, применяемая в астрономии и составляющая примерно 3 ^. 10¹⁶ м). Следовательно, если бы расширение происходило с постоянной скоростью, то, положив Н равным 75 (км/с)/Мпс^*, получаем для времени t, истекшего с момента начального «взрыва», значение t₀ » 13 млрд. лет.

________________________
* Мпс – мегаперсек, или 10⁶ парсек.

Из космологических уравнений следует, что при заданном Н трехмерное пространство может иметь нулевую кривизну исключительно при строго определенной (критической) плотности массы Ρ_кр = 3с2Н²/G, где
G – гравитационная постоянная, с – скорость света. Если Ρ > Ρ_кр, то справедлива замкнутая модель, при Ρ ≤ Ρ_кр мир является открытым.

Отсюда становится ясным, что проблема определения плотности вещества во Вселенной имеет фундаментальный характер. По современным данным, средняя плотность материи во Вселенной меньше критической, однако не исключено, что определенная часть материи, существенная для величины этой плотности, остается необнаруженной. Речь идет о так называемом скрытом (невидимом) веществе, а также о возможной плотности нейтрино (если масса нейтрино не является нулевой). Гипотеза о наличии скрытого вещества выдвинута для объяснения того факта, что галактики не расширяются, хотя гравитационного поля, создаваемого видимым веществом, для этого явно недостаточно. В принципе допускается, что суммарная плотность может быть на два порядка больше средней плотности звездного вещества. Поэтому пока нельзя отдать предпочтение ни одной из двух возможных моделей Вселенной.

Эта неопределенность, однако, никоим образом не сказывается на характере «поведения» Вселенной, продолжающей расширяться. Она влияет на точность определения возраста Вселенной, о котором можно судить по длительности ее расширения. Последнее, согласно обеим моделям, идет с замедлением, но не одинаковым, что, естественно, приводит к различным оценкам времени, истекшего с момента начала расширения.

Позволяя судить об общем характере эволюции Вселенной, рассмотренные модели оставляют открытым вопрос о характеристиках ее начального состояния. Задание этих характеристик представляет собой независимое положение релятивистской космологии. В конце 40-х гг. известный американский физик русского происхождения Джордж (Георгий) Гамов выдвинул гипотезу «горячей» Вселенной, которая с 60-х гг. стала общепринятой и называется теперь стандартной моделью Вселенной. В ней основное внимание уделяется физическим процессам, идущим на разных этапах расширения Вселенной, в том числе на самой ранней, наиболее необычной стадии. Благодаря существенному прогрессу в области физики элементарных частиц и атомного ядра общие физические законы надежно проверены при ядерных плотностях, составляющих ~10¹⁴ г/см³. Такую плотность Вселенная имеет спустя 10^–4 с после начала расширения, которое получило название «Большой взрыв». Следовательно, физические свойства эволюционирующей Вселенной поддаются изучению начиная с этого момента.

1.2. Концепция «Большого взрыва»

Стандартная модель эволюции Вселенной предполагает, что в момент перед «Большим взрывом» температура Т в сингулярности превышала 10¹³ градусов по шкале Кельвина, начало отсчета которой соответствует абсолютному нулю, или – 273 градуса по шкале Цельсия. Плотность материи должна была составлять не менее 10⁹³ г/см³. В таких условиях не могли существовать не только молекулы и атомы, но и атомные ядра. Материя представляла собой равновесную смесь различных элементарных частиц, включая фотоны. Физика элементарных частиц позволяет рассчитать состав такой смеси при разных температурах, соответствующих различным стадиям эволюции.

Поскольку сразу после «Большого взрыва» расширение происходило с очень высокой скоростью, температура и плотность быстро понижались. Так, уже через ~0,01 с от состояния сингулярности плотность должна была упасть до ~10¹⁰ г/см³. В этот момент материя должна была представлять собой совокупность фотонов, электронов, позитронов, нейтрино, антинейтрино, а также относительно небольшого количества нуклонов. При этом пары электронов и позитронов непрерывно аннигилировали, образуя фотоны, а те, в свою очередь, превращались опять в электрон-позитронные пары. Имеются основания предполагать, что уже на этой стадии произошло нарушение симметрии между веществом и антивеществом. Речь может идти о весьма незначительной флуктуации, состоящей в превышении количества частиц над числом античастиц (один лишний электрон на миллиард аннигилирующих пар).

Примерно через 3 минуты после состояния сингулярности в результате известных превращений из нуклонов образуются ядра двух первых элементов – водорода (75% по массе) и гелия (25%): происходит первичный нуклеосинтез. Объединение протона с одним или двумя нейтронами создает ядра изотопов водорода – дейтерия и трития. Образование ядер гелия происходит в результате нерезонансного захвата нейтрона протоном. В процессе такого захвата нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино и к двум протонам присоединяются еще один или два свободных нейтрона, образуя ядра двух изотопов гелия. На этом, однако, процесс нуклеосинтеза замедляется. Дело в том, что любая комбинация нуклонов с образованием ядра с массовым числом А = 5 неизбежно распадается, не успев сформироваться. Поэтому на стадии первичного нуклеосинтеза невозможно получение ядер с А > 4. Это препятствие на пути дальнейшего нуклеосинтеза получило название «щель массы».

Судя по всему, в барионном веществе Вселенной на этой стадии имело место заметное преобладание протонов над нейтронами. Когда все нейтроны оказались связанными с протонами, образовав ядра гелия, то таких ядер оказалось около 20%, остальную же часть составили протоны, т. е. ядра водорода. Поскольку температура в это время (~300 000 К) была всё еще высокой, время для образования атомов еще не наступило. Возникшая смесь ядер гелия и водорода получила название дозвездного вещества. Образование из него остальных химических элементов произойдет намного позднее, в процессе термоядерных реакций в недрах звезд.

Пока же к моменту t ~ 10⁶ лет, когда температура снизилась до ~3000 К, в результате рекомбинации нуклонов и электронов образуются нейтральные атомы гелия и водорода. В этот момент нарушилось термодинамическое равновесие между веществом, находившимся в состоянии горячей плазмы и излучением, поскольку кванты излучения уже не обладали достаточной для ионизации вещества энергией. Это означает, что электрон-позитронные пары перестали образовываться и только незначительное число электронов, для которых «не нашлось» позитронов, остались в составе вещественной составляющей. Аналогичная ситуация сложилась и для протонов. Поэтому вещество стало прозрачным для фотонов, и они должны наблюдаться в настоящее время в виде реликтового излучения теряющих энергию фотонов.

Действительно, в 1965 г. американские астрофизики Арно Аллан Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили реликтовое излучение, причем его свойства находились в хорошем согласии с предсказаниями теории. В частности, его температура в результате постепенного снижения с того времени, как и ожидалось, оказалась равной ~3 К. Изотропность реликтового излучения свидетельствует о том, что в период рекомбинации отсутствовали значительные неоднородности плотности, способные привести к образованию галактик.

Интересно, что изотропность реликтового излучения и независимость его температуры от направления наблюдения позволили обнаружить движение Солнечной системы относительно него как фона. Оказалось, что Солнце движется в направлении созвездия Льва со скоростью
390 ± 60 км/с. Это позволяет рассматривать реликтовое излучение как определенным образом выделенную систему координат во Вселенной, связанную с локальностью «Большого взрыва».

Дата добавления: 2015-07-08