Современные космологические модели Вселенной.

ТЕМА 7. МЕГАМИР: СОВРЕМЕННАЯ АСТРОНОМИЧЕСКАЯ И АСТРОФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

Мегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел: планет, звезд и звездных систем – галактик. Все существующие галактики входят в систему самого высокого порядка — Метагалактику. Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» — очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» — тот же мир, но с точки зрения его структуры — как упорядоченную систему галактик.

Строение и эволюция Вселенной, Космоса изучаются космологией и астрономией (от греч. astron – звезда + nomos – закон). В основе космологических моделей Вселенной лежат определенные мировоззренческие предпосылки, а сами эти модели имеют большое мировоззренческое значение.

Современные космологические модели Вселенной.

Никакой глобальной эволюционной теории развития Вселенной до ХХ века не существовало, поскольку классическое естествознание ориентировалось преимущественно на изучение не динамики, а статики систем. В классической науке существовала так называемая теория стационарного состоянии Вселенной,согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации. Однако вопрос об эволюции Вселенной не ставился.

Классическая ньютоновская космология явно или неявно принимала следующие постулаты:

· Вселенная — это «мир в целом». Космология познает мир таким, как он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания.

· Пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов.

· Пространство и время метрически бесконечны.

· Пространство и время однородны и изотропны.

· Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, ноне мир в целом.

Однако в ньютоновской космологии возникали два парадокса, связанные с постулатом бесконечности Вселенной.

Первый парадокс получил название гравитационного: если Вселенная бесконечна и ней существует бесконечное количество небесных тел, то сила тяготения будет бесконечно большой, и Вселенная должна сколлапсировать, а не существовать вечно.

Гравитационный парадокс (парадокс Неймана — Зелигера, название по имени немецких учёных К. Неймана, 1832 – 1925, и Х. Зелигера, 1849 - 1924) вытекает из того, что закон всемирного тяготения Ньютона не даёт какого-либо разумного ответа на вопрос о гравитационном поле, создаваемом бесконечной системой масс и приводит, вообще говоря, к бесконечным значениям гравитационного потенциала

Второй парадокс называется фотометрическим: если существует бесконечное количество небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, что не наблюдается. Он вытекает из того, что классическая физика затрудняется объяснить, почему ночью темно: если повсюду в бесконечном пространстве стационарной Вселенной (или хотя бы в достаточно большой её области) имеются излучающие звёзды, то в любом направлении на луче зрения должна оказаться какая-нибудь звезда и вся поверхность неба должна представляться ослепительно яркой, подобной, например, поверхности Солнца.

Впервые этот парадокс сформулировал во всей его полноте швейцарский астроном Жан-Филипп Луи де Шезо (1718—1751) в 1744 г., хотя аналогичные мысли высказывали ранее и другие учёные, в частности, Иоганн Кеплер, Отто фон Герике и Эдмунд Галлей. Иногда фотометрический парадокс называется парадоксом Ольберса ( 1758 – 1840), в честь астронома, который привлёк к нему внимание в 1826 г..

Парадокс решается при учёте одного из следующих факторов:

Вселенная не бесконечно древняя;

Вселенная пространственно ограничена и не замкнута;

Эти парадоксы оказались неразрешимыми в рамках ньютоновской космологии.

Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Такие модели опираются на основное уравнение тяготения, введенное А. Эйнштейном в общей теории относительности. Это уравнение имеет не одно, а несколько решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной.

Первая космологическая модель была разработана самим А. Эйнштейном в 1917 г. В соответствии с этой моделью мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве. Эта модель казалась в то время вполне удовлетворительной, поскольку она согласовывалась со всеми известными фактами.

Другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения, в том же 1917 г. предложил голландский астроном Виллем де Ситтер. Это решение существовало бы даже в случае «пустой» Вселенной, свободной от материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решение переставало быть стационарным: возникало космическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга и растворить всю систему.

В 1922 г. русский математик и геофизик А. А. Фридман (1888 – 1925) отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решения уравнений Эйнштейна, описывающее Вселенную с «расширяющимся» пространством.

Предложенные А. А. Фридманом решениядопускают три возможности.

· Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине (ρ = 10^-29 г/см³), мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния.

· Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и также неограниченно расширяется.

· И, наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния.

Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной неизвестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этих пространств Вселенной живем.

В 1929 г. американский астроном Эдвин П. Хаббл (1889 - 1953) установил, что свет, идущий от далеких галактик, смещается в сторону красного конца спектра. Это явление, получившее название красного смещения, согласно эффекту Доплера, свидетельствовало об удалении галактик от наблюдателя.

Хаббл установил эмпирический закон Хаббла:

cкорость удаления галактики V прямо пропорциональна расстоянию до нее, т.е.

V = Hr,

где Н – постоянная Хаббла.

Обратной величиной постоянной Хаббла определяется время жизни (возраст) Вселенной – около 15 млрд. лет.

Таким образом, расширение Вселенной считается научно установленным фактом, однако однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели в настоящее время не представляется возможным.

Общим для решения этих моделей является представление о нестационарном, изотропном и однородном характере ее моделей.

Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться в статическом, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься.

Изотропность указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек и направлений, то есть ее свойства не зависят от направления.

Однородность характеризует равномерное в среднем распределение вещества во Вселенной.

Перечисленные утверждения часто называют космологическими постулатами. К нему добавляют также правдоподобное требование об отсутствии во Вселенной сил, препятствующих силам тяготения. При таких предположениях космологические модели оказываются наиболее простыми.

Проблема происхождения и эволюции Вселенной. Ныне очевидно, что наша Вселенная эволюционирует. В 1927 г. бельгийский аббат и ученый Ж. Леметр (1894-1966) ввел понятие начала Вселенной как сингулярности (т.е. сверхплотного состояния) от лат. singularis — единственный.

Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра, в сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров: радиус Вселенной составлял 10 ^-12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность – 10 ⁹⁶ г/см³. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва.

Начиная с конца 40-х гг. ХХ века все большее внимание в космологии привлекает физика процессов на разных этапах космологического расширения. Ученик А.А. Фридмана Г.А. Гамов (1904 – 1968) разработал модель горячей Вселенной, рассматривая ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной, и назвал ее «космологией Большого взрыва». Такая модель «горячей» Вселенной впоследствии была названа стандартной.

Стандартная модель «большого взрыва» опирается на следующие данные:

· Во-первых, на эмпирические факты внегалактической астрономии о непрерывном удалении наиболее далеких от нас галактик.

· Во-вторых, на открытие в 1965 г. микроволнового излучения, названного впоследствии реликтовым, поскольку оно несет информацию о ранней истории Вселенной. Это излучение со спектром, близким к спектру излучения абсолютно черного тела с температурой около 3 К^о. Его открыли американские астрофизики А.Пензиас (р. 1933) и Р.Вильсон (р. 1936), за что в й1978 г. удостоены Нобелевской премии.

· В-третьих, на постулат о разрушении симметрий между микрочастицами, с одной стороны, и силами, действующими между ними, с другой.

· В-четвертых, в 2000 г. в лаборатории Центра европейских ядерных исследований в Женеве получено новое состояние материи – кварк-глюонная плазма. Предполагается, что в таком состоянии пребывала Вселенная в первые 10 мкс после большого взрыва. До сих пор удавалось охарактеризовать эволюцию материи на стадии не ранее трех минут после взрыва, когда уже сформировались ядра атомов.

О состоянии Вселенная до взрыва никаких надежных данных пока не существует. Высказываются лишь некоторые предположения и гипотезы. Поэтому в стандартной модели предполагается, что первоначально Вселенная могла состоять из электронов, позитронов и фотонов, а также нейтрино и антинейтрино. В настоящее время популярной становится кварковая модель в силу того, что эти гипотетические частицы считаются теперь основой для построения существующих элементарных частиц. Относительно более надежными являются представления об эволюции Вселенной после взрыва и начавшегося её расширения.

Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13 – 20 млрд. лет. Г. А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной, что содействовало образованию химических элементов и космологических структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюции Вселенной делят на «эры».

Начальное состояние Вселенной: первоначальное сингулярное, т. е. сверхплотное, состояние вещества Вселенной составляло 1093 г/см3, а ее первоначальный размер — 10-33 см. В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых масштабов.

Этап Большого взрыва: от первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва (около 15 млрд. лет назад). В результате Большого взрыва образовалась не только материя, но и само пространство — время.

Эра адронов (тяжелых частиц, вступающих в сильные взаимодействия). Продолжительность эры - 0,0001 с, температура - 10¹² градусов по Кельвину, плотность - 10¹⁴ г/см³. В конце эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов, гиперонов, мезонов. В первую сотую долю секунды после взрыва материя составляла своеобразную смесь вещества (состоящую из электронов и позитронов) и излучения (фотонов), которые непрерывно взаимодействовали между собой. Электроны и позитроны превращались в фотоны, а последние, в результате взаимодействия образовывали пару электрон и позитрон: e^- + e⁺ ↔ 2γ.

Взаимопревращение вещества и излучения продолжалось до тех пор, пока существовало термодинамическое равновесие между ними. Существовала также и симметрия как между веществом и излучением, так и между веществом и антивеществом.

Как возникло впоследствии отделение антивещества от вещества и разрушение симметрии между веществом и излучением, остается только догадываться. Предполагают, что в далеком прошлом наш вещественный мир каким-то образом оказался изолированным от антивещественного, ибо в противном случае все превратилось бы в излучение.

Эра лептонов (легких частиц, вступающих в электромагнитное взаимодействие). Продолжительность эры 10 с, температура 10¹⁰ градусов по Кельвину, плотность 10⁴ г/см³. Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами.

Фотонная эра. Продолжительность 1 млн. лет. Основная доля массы-энергии Вселенной — приходится на фотоны. К концу эры температура падает с 10¹⁰ до 3000 градусов по Кельвину, плотность — с 10⁴ г/см3 до 10^-21 г/см³.

Главную роль играет излучение, которое в конце эры отделяется от вещества. Когда электроны и ядра начнут образовывать устойчивые атомы легких элементов, преимущественно водорода и гелия, тогда происходит разъединение вещества и излучения. Одним из первых его следствий стало образование звезд. Другим следствием было то, что Вселенная стала прозрачной для излучения. Именно тогда возникает космическое микроволновое излучение с температурой 3 градуса по Кельвину, которое ныне часто называют реликтовым, ибо оно напоминает об истории возникновения Вселенной.

Звездная эра наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик. Вещество, из которого зарождались первые звезды, состояло в основном из водорода (75%) и гелия (25%).

Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.

В стандартной гипотезе образования Вселенной много еще неясного и спорного. Прежде всего, остается нерешенным вопросов о структуре и состоянии материи первоначальной Вселенной.

По этой причине наряду со стандартной моделью была предложена также гипотеза пульсирующей Вселенной, которая предполагает, что в ходе своей эволюции Вселенная подвергается периодическому расширению и сжатию. По мнению её защитников, она удовлетворительно объясняет наличие гигантского количества фотонов во Вселенной во время циклов её расширения и сжатия. Однако никаких эмпирических фактов, свидетельствующих о сжатии Вселенной, пока не обнаружено.

Четверть века назад была выдвинута инфляционная модель, которая пытается раскрыть состояние Вселенной до взрыва. Она рассматривает Вселенную как гигантскую флуктуацию вакуума, и стремится объяснить разрушение в ней симметрий между веществом и антивеществом, а также различными силами взаимодействия между частицами и полями. Согласно этой модели, Вселенная возникла из первоначального вакуума, который обладал огромной энергией, но находился в неустойчивом состоянии. В этом вакууме, который называют возбужденным, или ложным, господствовали космические силы отталкивания, которые и «раздували» занимаемое им пространство, а выделившаяся при этом энергия быстро нагревала Вселенную. Огромное повышение температуры и давления в процессе быстрого расширения возбужденного вакуума привело к взрыву сверхгорячей материи. После взрыва наступило резкое понижение температуры и давления, и в дальнейшем расширение Вселенной происходило по сценарию стандартной модели.

Самая большая трудность для ученых возникает при объяснении причин космической эволюции. Если отбросить частности, то можно выделить две основные концепции, объясняющие эволюцию Вселенной: самоорганизации и креационизма.

Для концепции самоорганизации материальная Вселенная является единственной реальностью, никакой другой реальности помимо нее не существует. Эволюция Вселенной описывается в терминах самоорганизации: идет самопроизвольное упорядочивание систем в направлении становления все более сложных структур. Динамичный хаос порождает порядок. Вопрос о цели космической эволюции не ставится, поскольку не имеет смысла.

В рамках концепции креационизма, т.е. творения, эволюция Вселенной связывается с реализацией программы, которая была сформулирована реальностью более высокого порядка, чем материальный мир (например, Богом). Сторонники креационизма в качестве дополнительного аргумента привлекают антропный принцип.

Суть антропного принципа заключается в том, что существование той Вселенной, в которой мы живем, зависит от численных значений фундаментальных физических констант – постоянной Планка, постоянной гравитации, констант взаимодействия и т.д. Если бы эти значения отличались от существующих хотя бы на ничтожно малую величину, то не только жизнь была бы невозможной, но и сама Вселенная как сложная упорядоченная структура была бы невозможна. Отсюда делается вывод: физическая структура Вселенной запрограммирована, а конечная цель космической эволюции якобы заключается в появлении человека во Вселенной в соответствии с замыслами Творца.

С сожалением приходится отметить, что в некоторых современных учебниках идея креационизма рассматривается в рамках концепций естествознания[1]. Однако идея креационизма связана с миром сверхъестественного и поэтому выходит за рамки естествознания, изучающего естественные законы мира. К тому же антропный принцип поясняет, почему появление человека стало возможным, но ни в коей мере не может служить доказательством запрограммированности такого появления.

Дата добавления: 2015-08-21