Концепция Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной

Содержание: 
 
 

Введение………………………………………………………………….3 

Глава 1. Модель Большого Взрыва……………….…………………….4 

1.1 Гипотетические  представления о Вселенной ………..…………….5 

Глава 2. Расширяющаяся  Вселенная …………………………………...9 

Глава 3. Рождение и гибель Вселенной ……………………………….16 

Заключение……………………………………………………………… 27 

Список используемой литературы……………………………………... 28 

Приложение ………………………………………………………………29 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

Одной из основных концепций современного естествознания является учение о Вселенной  как едином целом и обо всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной (Метагалактике) как части целого – космология.

Выводы  космологии основываются и на законах  физики, и на данных наблюдательной астрономии. Как любая наука, космология в своей структуре кроме эмпирического  и теоретического уровней имеет  также уровень философских предпосылок, философских оснований.

Так, в  основании современной космологии лежит предположение о том, что  законы природы, установленные на основе изучения весьма ограниченной части  Вселенной, чаще всего на основе опытов на планете Земля, могут быть экстраполированы на значительно большие области, в конечном счете – на всю Вселенную. Это предположение об устойчивости законов природы в пространстве и времени относится к уровню философских оснований современной  космологии.

Цель  моей курсовой работы состоит в том, чтобы разобраться, что же все-таки представляет собой вселенная. В  моей курсовой работе поставлены такие  задачи:

1. Изучить, как произошел тот темп развития вселенной, начиная с момента «большого взрыва».
2. Рассмотреть взгляды различных ученых, философов, политологов о том, как расширяется Вселенная.
3. Исследовать, почему Вселенная начала расширятся со скоростью, столь близкой к критической, которая разделяет модели с повторным сжатием и модели с вечным расширением, так что даже сейчас, через десять тысяч миллионов лет, Вселенная продолжает расширяться со скоростью, примерно равной критической?

Глава 1. Модель Большого Взрыва 

Модель  эволюционной истории Вселенной, согласно которой она возникла в бесконечно плотном состоянии и с тех  пор расширяется. Это событие  произошло от 13 до 20 миллиардов лет  назад и известно как «Большой Взрыв». Теория Большого Взрыва теперь общепринята, так как она объясняет  оба наиболее значительных факта  космологии: расширяющуюся Вселенную  и существование космического фонового излучения. Можно воспользоваться  известными законами физики и просчитать в обратном направлении все состояния, в которых находилась Вселенная, начиная с 10–43 секунд после Большого Взрыва. В течение первого миллиона лет вещество и энергия во Вселенной  сформировали непрозрачную плазму, иногда называемую первичным огненным шаром. К концу этого периода расширение Вселенной заставило температуру  опуститься ниже 3000 K, так что протоны  и электроны смогли объединяться, образуя атомы водорода. На этой стадии Вселенная стала прозрачной для излучения. Плотность вещества теперь стала выше плотности излучения, хотя раньше ситуация была обратной, что  и определяло скорость расширения Вселенной. Фоновое микроволновое излучение  – все, что осталось от сильно охлажденного излучения ранней Вселенной. Первые галактики начали формироваться  из первичных облаков водорода и  гелия только через один или два  миллиарда лет. Термин «Большой Взрыв» может применяться к любой  модели расширяющейся Вселенной, которая  в прошлом была горячей и плотной. 
 
 
 
 
 
 

     1.1 Гипотетические представления  о Вселенной 

Еще в 340 г. до н.э. греческий философ Аристотель в своей книге «О небе» привел два веских довода в пользу того, что Земля не плоская тарелка, а круглый шар. Во-первых, Аристотель догадался, что лунные затмения происходят тогда, когда Земля оказывается  между Луной и Солнцем. Земля  всегда отбрасывает на Луну круглую  тень, а это может быть лишь в  том случае, если Земля имеет форму  шара. Будь Земля плоским диском, ее тень имела бы форму вытянутого эллипса, если только затмение не происходит всегда именно в тот момент, когда  Солнце находится точно на оси  диска. Во-вторых, по опыту своих  путешествий греки знали, что  в южных районах Полярная звезда на небе располагается ниже, чем  в северных. Зная разницу в кажущемся  положении Полярной звезды в Египте и Греции, Аристотель сумел даже вычислить, что длина экватора равна 400 000 стадиев. Что такое стадий, точно  неизвестно, но он близок к 200 метрам, и, стало быть, оценка Аристотеля примерно в 2 раза больше значения, принятого  сейчас. Аристотель думал, что Земля  неподвижна, а Солнце, Луна, планеты  и звезды вращаются вокруг нее  по круговым орбитам. Он так полагал, ибо в соответствии со своими мистическими воззрениями Землю считал центром  Вселенной, а круговое движение –  самым совершенным.

     Птолемей  во II веке развил идею Аристотеля в  полную космологическую модель. Земля  стоит в центре, окруженная восемью  сферами, несущими на себе Луну, Солнце и пять известных тогда планет: Меркурий, Венеру, Марс, Юпитер и Сатурн (рис. 1.1). Сами планеты, считал Птолемей, движутся по меньшим кругам, скрепленным с соответствующими сферами. Это объясняло тот весьма сложный путь, который совершают планеты. На самой последней сфере располагаются неподвижные звезды, которые, оставаясь в одном и том же положении друг относительно друга, движутся по небу все вместе как единое целое. Что лежит за последней сферой, не объяснялось, но во всяком случае это уже не было частью той Вселенной, которую наблюдает человечество.

Модель  Птолемея позволяла неплохо предсказывать  положение небесных тел на небосводе, но для точного предсказания ему  пришлось принять, что траектория Луны в одних местах подходит к Земле  в 2 раза ближе, чем в других. Это  означает, что в одном положении  Луна должна казаться в 2 раза большей, чем в другом. Птолемей знал об этом недостатке, но, тем не менее, его  теория была признана, хотя и не везде. Христианская Церковь приняла Птолемееву модель Вселенной как не противоречащую Библии, ибо эта модель была очень  хороша тем, что оставляла за пределами  сферы неподвижных звезд много  места для ада и рая.

Однако  в 1514 г. польский священник Николай Коперник предложил еще более простую модель. Его идея состояла в том, что Солнце стоит неподвижно в центре, а Земля и другие планеты обращаются вокруг него по круговым орбитам. Прошло почти столетие, прежде чем идею Коперника восприняли серьезно.

Два астронома  – немец Иоганн Кеплер и итальянец  Галилео Галилей – публично выступили  в поддержку теории Коперника, несмотря на то, что предсказанные Коперником орбиты не совсем совпадали с наблюдаемыми. Теории Аристотеля, Птолемея пришел конец  в 1609 г., когда Галилей начал наблюдать ночное течение, согласно которому всякое тело во Вселенной притягивается к любому другому телу с тем большей силой, чем больше массы этих тел и чем меньше расстояние между ними. Это та самая сила, которая заставляет тела падать на землю. Далее Ньютон показал, что, согласно его закону, Луна под действием гравитационных сил движется по эллиптической орбите вокруг Земли, а Земля и планеты вращаются по эллиптическим орбитам вокруг Солнца. Модель Коперника помогла избавиться от Птолемеевых небесных сфер, а заодно и от представления о том, что Вселенная имеет какую-то естественную границу. Поскольку «неподвижные звезды» не изменяют своего положения на небе, если не считать их кругового движения, связанного с вращением Земли вокруг своей оси, естественно было предположить, что неподвижные звезды – это объекты, подобные нашему Солнцу, только гораздо более удаленные.

Ньютон  понимал, что по его теории тяготения  звезды должны притягиваться друг к  другу и поэтому, не могут оставаться совсем неподвижными. В 1691 г. в письме Ричарду Бентли, еще одному выдающемуся мыслителю того времени, Ньютон говорил, что так действительно должно было бы произойти, если бы у нас было лишь конечное число звезд в конечной области пространства. Но, рассуждал Ньютон, если число звезд бесконечно и они более или менее равномерно распределены по бесконечному пространству, то этого никогда не произойдет, так как нет центральной точки, куда им нужно было бы падать.

Еще одно возражение против модели бесконечной  статической Вселенной обычно приписывается  немецкому философу Генриху Олберсу, который в 1823 г. опубликовал работу, посвященную этой модели. Возражение таково: в бесконечной статической Вселенной любой луч зрения должен упираться в какую-нибудь звезду. Но тогда небо даже ночью должно ярко светиться, как Солнце. Контраргумент Олберса состоял в том, что свет, идущий к нам от далеких звезд, должен ослабляться из-за поглощения в находящемся на его пути веществе. Но в таком случае само это вещество должно нагреться и ярко светиться, как звезды. Единственная возможность избежать вывода о ярко, как Солнце, светящемся ночном небе – предположить, что звезды сияли не всегда, а загорелись в какой-то определенный момент времени в прошлом. Тогда поглощающее вещество, возможно, еще не успело разогреться или же свет далеких звезд еще не дошел до нас.

Другое  основание выдвинул Блаженный Августин в книге «Град Божий». Он указал на то, что цивилизация прогрессирует, а мы помним, кто совершил то или  иное деяние и кто что изобрел. Поэтому человечество, а значит, вероятно, и Вселенная, вряд ли очень  долго существуют. Блаженный Августин считал приемлемой дату сотворения Вселенной, соответствующую книге «Бытия» приблизительно 5000 год до нашей эры.

Наблюдения  Хаббла говорили о том, что было время  – так называемый большой взрыв, когда Вселенная была бесконечно малой и бесконечно плотной. 
 

      Глава 2. Расширяющаяся  Вселенная 

Если  в ясную безлунную ночь посмотреть на небо, то, скорее всего, самыми яркими объектами, которые вы увидите, будут  планеты Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Кроме того, вы увидите огромное количество звезд, похожих на наше Солнце, но находящихся гораздо дальше от нас. При вращении Земли вокруг Солнца некоторые из этих «неподвижных»  звезд чуть-чуть меняют свое положение  относительно друг друга, т.е. на самом  деле они вовсе не неподвижны. Дело в том, что они несколько ближе  к нам, чем другие. Поскольку же Земля вращается вокруг Солнца, близкие  звезды видны все время в разных точках фона более удаленных звезд. Благодаря этому можно непосредственно  измерить расстояние от нас до этих звезд: чем они ближе, тем сильнее  заметно их перемещение. Самая близкая  звезда, называемая Проксимой Центавра, находится от нас на расстоянии приблизительно четырех световых лет или около 37 миллионов километров. Большинство  звезд, видимых невооруженным глазом, удалены от нас на несколько сотен  световых лет. Сравните это с расстоянием  до нашего Солнца, составляющим всего  восемь световых минут. Видимые звезды рассыпаны по всему ночному небу, но особенно густо в той полосе, которую мы называем Млечным Путем.

Еще в 1750 г. некоторые астрономы высказывали мысль, что существование Млечного Пути объясняется тем, что большая часть видимых звезд образует одну дискообразную конфигурацию – пример того, что сейчас называется спиральной галактикой. Лишь через несколько десятилетий астроном Уильям Гершель подтвердил это предположение, выполнив колоссальную работу по составлению каталога положений огромного количества звезд и расстояний до них. Но даже после этого представление о спиральных галактиках было принято всеми лишь в начале 21 века.

Современная картина Вселенной возникла только в 1924 г., когда американский астроном Эдвин Хаббл показал, что наша Галактика не единственная. Для доказательства Хабблу требовалось определить расстояния до этих галактик, которые настолько велики, что, в отличие от положений близких звезд, видимые положения галактик действительно не меняются. Поэтому для измерения расстояний Хаббл был вынужден прибегнуть к косвенным методам. Видимая яркость звезды зависит от двух факторов: от того, какое количество света излучает звезда, и от того, где она находится. Яркость близких звезд и расстояние до них мы можем измерить, следовательно, мы можем вычислить и их светимость. И наоборот, зная светимость звезд в других галактиках, мы могли бы вычислить расстояние до них, измерив их видимую яркость. Хаббл заметил, что светимость некоторых типов звезд всегда одна и та же, когда они находятся достаточно близко для того, чтобы можно было производить измерения. Следовательно, если такие звезды обнаружатся в другой галактике, то, предположив у них такую же светимость, мы сумеем вычислить расстояние до этой галактики. Если подобные расчеты для нескольких звезд одной и той же галактики дадут один и тот же результат, то полученную оценку расстояния можно считать надежной.

Таким путем Хаббл рассчитал расстояния до девяти разных галактик. Теперь известно, что наша Галактика – одна из нескольких сотен тысяч миллионов  галактик, которые можно наблюдать  в современные телескопы, а каждая из этих галактик в свою очередь  содержит сотни тысяч миллионов  звезд.

В 20-х  годах, когда астрономы начали исследование спектров звезд других галактик, обнаружилось нечто еще более странное: в  нашей собственной Галактике  оказались те же самые характерные  наборы отсутствующих цветов, что  и у звезд, но все они были сдвинуты на одну и ту же величину к красному концу спектра. Это означает, что  спектры удаляющихся звезд будут  сдвинуты к красному концу (красное  смещение), а спектры приближающихся звезд должны испытывать фиолетовое смещение. Такое соотношение между  скоростью и частотой называется эффектом Доплера, и этот эффект обычен даже в нашей повседневной жизни. Еще более удивительным было открытие, опубликованное Хабблом в 1929 г. – Хаббл обнаружил, что даже величина красного смещения не случайна, а прямо пропорциональна расстоянию от нас до галактики. Иными словами, чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется. А это означало, что Вселенная не может быть статической, как думали раньше, что на самом деле она непрерывно расширяется и расстояния между галактиками все время растут.  

Эйнштейн, разрабатывая в 1915 г. общую теорию относительности, был уверен в статичности Вселенной. Чтобы не вступать в противоречие со статичностью. Эйнштейн модифицировал свою теорию, введя в уравнения так называемую космологическую постоянную. Он ввел новую «антигравитационную» силу, которая в отличие от других сил не порождалась каким-либо источником, а была заложена в саму структуру пространства-времени. Эйнштейн утверждал, что пространство – время само по себе всегда расширяется и этим расширением точно уравновешивается притяжение всей остальной материи во Вселенной, так что в результате Вселенная оказывается статической. 

Фридман сделал два очень простых исходных предположения: во-первых, Вселенная  выглядит одинаково, в каком бы направлении  мы ее ни наблюдали, и во-вторых, это  утверждение должно оставаться справедливым и в том случае, если бы мы производили  наблюдения из какого-нибудь другого  места. Не прибегая ни к каким другим предположениям, Фридман показал, что  Вселенная не должна быть статической. В 1922 г., за несколько лет до открытия Хаббла, Фридман в точности предсказал его результат. В модели Фридмана все галактики удаляются друг от друга. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается, но ни одну из них нельзя назвать центром расширения. При том, чем больше расстояние между точками, тем быстрее они удаляются друг от друга. Но и в модели Фридмана скорость, с которой любые две галактики удаляются друг от друга, пропорциональна расстоянию между ними. Таким образом, модель Фридмана предсказывает, что красное смешение галактики должно быть прямо пропорционально ее удаленности от нас, в точном соответствии с открытием Хаббла. 

В 1935 г. американский физик Говард Робертсон и английский математик Артур Уолкер предложили сходные модели в связи с открытием Хаббла. 
Сам Фридман рассматривал только одну модель, но можно указать три разные модели, для которых выполняются оба фундаментальных предположения Фридмана. В модели первого типа Вселенная расширяется достаточно медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и, в конце концов, прекращалось. После этого галактики начинают приближаться друг к другу, и Вселенная начинает сжиматься. В модели второго типа расширение Вселенной происходит так быстро, что гравитационное притяжение хоть и замедляет расширение, не может его остановить. В модели третьего типа, в которой скорость расширения Вселенной только достаточна для того, чтобы избежать сжатия до нуля (коллапса). 

Сегодняшнюю скорость расширения Вселенной можно  определить, измеряя скорости удаления от нас других галактик. Такие измерения  можно выполнить очень точно. Но расстояния до других галактик нам  плохо известны, потому что их нельзя измерить непосредственно. Мы знаем  лишь, что Вселенная расширяется  за каждую тысячу миллионов лет на 5–10%. Однако неопределенность в современном  значении средней плотности Вселенной  еще больше. Если сложить массы  всех наблюдаемых звезд в нашей  и других галактиках, то даже при  самой низкой оценке скорости расширения сумма окажется меньше одной сотой  той плотности, которая необходима для того, чтобы расширение Вселенной  прекратилось. Однако и в нашей, и  в других галактиках должно быть много  темной материи, которую нельзя видеть непосредственно, но о существовании, которой мы узнаем по тому, как ее гравитационное притяжение влияет на орбиты звезд в галактиках. Кроме того, галактики в основном наблюдаются в виде скоплений, и мы можем аналогичным образом сделать вывод о наличии еще большего количества межгалактической темной материи внутри этих скоплений, влияющего на движение галактик. Сложив массу всей темной материи, мы получим лишь одну десятую того количества, которое необходимо для прекращения расширения. Но нельзя исключить возможность существования и какой-то другой формы материи, распределенной равномерно по всей Вселенной и еще не зарегистрированной, которая могла бы довести среднюю плотность Вселенной до критического значения, необходимого, чтобы остановить расширение. Таким образом, имеющиеся данные говорят о том, что Вселенная, вероятно, будет расширяться вечно. 

В 1963 г. два советских физика, Е.М. Лифшиц и И.М. Халатников, сделали еще одну попытку исключить большой взрыв, а с ним и начало времени. Лифшиц и Халатников высказали предположение, что большой взрыв – особенность лишь моделей Фридмана, которые, в конце концов, дают лишь приближенное описание реальной Вселенной. Поэтому галактикам не нужно находиться точно в одном месте – достаточно, чтобы они были расположены очень близко друг к другу. Тогда нынешняя расширяющаяся Вселенная могла возникнуть не в сингулярной точке большого взрыва, а на какой-нибудь более ранней фазе сжатия; может быть, при сжатии Вселенной столкнулись друг с другом не все частицы. Какая-то доля их могла пролететь мимо друг друга и снова разойтись в разные стороны, в результате чего и происходит наблюдаемое сейчас расширение Вселенной. Лифшиц и Халатников занялись изучением моделей, которые в общих чертах были бы похожи на модели Фридмана, но отличались от фридмановских тем, что в них учитывались нерегулярности и случайный характер реальных скоростей галактик во Вселенной. В результате Лифшиц и Халатников показали, что в таких моделях большой взрыв мог быть началом Вселенной даже в том случае, если галактики не всегда разбегаются по прямой, но это могло выполняться лишь для очень ограниченного круга моделей, в которых движение галактик происходит определенным образом. Поэтому в 1970 г. Лифшиц и Халатников отказались от своей теории.  

В 1965 г. английский математик и физик Роджер Пенроуз показал, что когда звезда сжимается под действием собственных сил гравитации, она ограничивается областью, поверхность которой, в конце концов, сжимается до нуля. А раз поверхность этой области сжимается до нуля, то же самое должно происходить и с ее объемом. Все вещество звезды будет сжато в нулевом объеме, так что ее плотность и кривизна пространства-времени станут бесконечными. Иными словами, возникнет сингулярность в некоей области пространства-времени, называемая черной дырой.

В теореме  Пенроуза, согласно которой любое  тело в процессе гравитационного  коллапса должно, в конце концов, сжаться в сингулярную точку. А что если в теореме Пенроуза изменить направление времени на обратное, так, чтобы сжатие перешло  в расширение, то эта теорема тоже будет верна, коль скоро Вселенная  сейчас хотя бы грубо приближенно  описывается в крупном масштабе моделью Фридмана. По теореме Пенроуза конечным состоянием любой коллапсирующей звезды должна быть сингулярность; при  обращении времени эта теорема  утверждает, что в любой модели фридмановского типа начальным состоянием расширяющейся Вселенной тоже должна быть сингулярность. По соображениям технического характера в теорему Пенроуза было введено в качестве условия  требование, чтобы Вселенная была бесконечна в пространстве. В итоге  в 1970 г. Воронин и Пенроузом написали совместную статью, в которой, наконец,  доказали, что сингулярная точка большого взрыва должна существовать, опираясь только на то, что верна общая теория относительности и что во Вселенной содержится столько вещества, сколько мы видим. Эта работа вызвала массу возражений, частично со стороны советских ученых, которые из-за приверженности марксистской философии верили в научный детерминизм, а частично и со стороны тех, кто не принимал саму идею сингулярностей как нарушающую красоту теории Эйнштейна. Когда работа была закончена, ее приняли, и сейчас почти все считают, что Вселенная возникла в особой точке большого взрыва. 
 

      Глава 3. Рождение и  гибель Вселенной 

Считается, что в момент большого взрыва размеры  Вселенной были равны нулю, а сама она была бесконечно горячей. Но по мере расширения температура излучения  понижалась. Через секунду после  большого взрыва температура упала  примерно до десяти тысяч миллионов  градусов; это примерно в тысячу раз больше температуры в центре Солнца, но такие температуры достигаются  при взрывах водородной бомбы. В  это время Вселенная состояла из фотонов, электронов, нейтрино (нейтрино – легчайшие частицы, участвующие  только в слабом и гравитационном взаимодействиях) и их античастиц, а  также из некоторого количества протонов и нейтронов. По мере того как Вселенная  продолжала расширяться, а температура  падать, скорость рождения электрон антиэлектронных  пар в соударениях стала меньше скорости их уничтожения за счет аннигиляции. Поэтому почти все электроны  и антиэлектроны должны были аннигилировать друг с другом, образовав новые  фотоны, так что осталось лишь чуть-чуть избыточных электронов. Но нейтрино и  антинейтрино не аннигилировали друг с другом, потому что эти частицы  очень слабо взаимодействуют  между собой и с другими  частицами. Поэтому они до сих  нор должны встречаться вокруг нас. Если бы их можно было наблюдать, то у нас появился бы хороший способ проверки модели очень горячей ранней Вселенной. К сожалению, их энергии  сейчас слишком малы, чтобы их можно  было непосредственно наблюдать.

Примерно  через сто секунд после большого взрыва температура упала до тысячи миллионов градусов, что отвечает температуре внутри самых горячих  звезд. При такой температуре  энергии протонов и нейтронов  уже недостаточно для сопротивления  сильному ядерному притяжению, и они  начинают объединяться друг с другом, образуя ядра дейтерия (тяжелого водорода), которые состоят из протона и  нейтрона. Затем ядра дейтерия присоединяют к себе еще протоны и нейтроны и превращаются в ядра гелия, содержащие два протона и два нейтрона, а также образуют небольшие количества более тяжелых элементов – лития и бериллия. Вычисления показывают, что, согласно горячей модели большого взрыва, около четвертой части протонов и нейтронов должно было превратиться в атомы гелия и небольшое количество тяжелого водорода и других элементов. Оставшиеся нейтроны распались на протоны, представляющие собой ядра обычных атомов водорода.

Всего через несколько часов после  большого взрыва образование гелия  и других элементов прекратилось, после чего в течение примерно миллиона лет Вселенная просто продолжала расширяться, и с ней не происходило  ничего особенного. Наконец, когда температура  упала до нескольких тысяч градусов и энергии электронов и ядер стало  недостаточно для преодоления действующего между ними электромагнитного притяжения, они начали объединяться друг с другом, образуя атомы. Вся Вселенная  как целое могла продолжать расширяться  и охлаждаться, но в тех областях, плотность которых была немного  выше средней, расширение замедлялось  из-за дополнительного гравитационного  притяжения. В результате некоторые  области перестали расширяться  и начали сжиматься. В процессе сжатия под действием гравитационного  притяжения материи, находящейся снаружи  этих областей, могло начаться их медленное  вращение. С уменьшением размеров коллапсирующей области ее вращение ускорялось, подобно тому, как ускоряется вращение фигуриста на льду, когда  он прижимает руки к телу. Когда, наконец, коллапсирующая область стала  достаточно малой, скорости ее вращения должно было хватить для уравновешивания  гравитационного притяжения – так  образовались вращающиеся дискообразные  галактики. Те области, которые не начали вращаться, превратились в овальные объекты, называемые эллиптическими галактиками. Коллапс этих областей тоже прекратился, потому что, хотя отдельные части  галактики стабильно вращались  вокруг ее центра, галактика в целом  не вращалась.

Состоящий из водорода и гелия газ внутри галактик со временем распался на газовые  облака меньшего размера, сжимающиеся  и од действием собственной гравитации. При сжатии этих облаков атомы  внутри них сталкивались друг с другом, температура газа повышалась, и, в  конце концов, газ разогрелся так  сильно, что начались реакции ядерного синтеза. В результате этих реакций  из водорода образовалось дополнительное количество гелия, а из-за выделившегося  тепла возросло давление и газовые  облака перестали сжиматься. Облака долго оставались в этом состоянии, подобно таким звездам, как наше Солнце, превращая водород в гелий  и излучая выделяющуюся энергию  в виде тепла и света. Более  массивным звездам для уравновешивания  своего более сильного гравитационного  притяжения нужно было разогреться  сильнее, и реакции ядерного синтеза  протекали в них настолько  быстрее, что они выжгли свой водород  всего за сто миллионов лет. Затем  они слегка сжались, и, поскольку  нагрев продолжался, началось превращение  гелия в более тяжелые элементы, такие как углерод и кислород. Но в подобных процессах выделяется не много энергии, и потому, как  уже говорилось в главе о черных дырах, должен был разразиться кризис. Не совсем ясно, что произошло потом, но вполне правдоподобно, что центральные  области звезды коллапсировали в  очень плотное состояние вроде  нейтронной звезды или черной дыры. Внешние области звезды могут  время от времени отрываться и  уноситься чудовищным взрывом, который  называется взрывом сверхновой, затмевающей  своим блеском все остальные  звезды в своей галактике. Часть  более тяжелых элементов, образовавшихся перед гибелью звезды, была отброшена  в заполняющий галактику газ  и превратилась в сырье для  последующих поколений звезд. Наше Солнце содержит около двух процентов  упомянутых более тяжелых элементов, потому что оно является звездой  второго или третьего поколения, образовавшейся около пяти миллионов  лет назад из облака вращающегося газа, в котором находились осколки  более ранних сверхновых. Газ из этого облака в основном пошел  на образование Солнца или был унесен взрывом, но небольшое количество более тяжелых элементов, собравшись вместе, превратилось в небесные тела – планеты, которые сейчас, как и Земля, обращаются вокруг Солнца.

Сначала Земля была горячей и не имела  атмосферы. Со временем она остыла, а вследствие выделения газа из горных пород возникла земная атмосфера. Ранняя атмосфера была непригодна для нашей  жизни. В ней не было кислорода, но было много других, ядовитых для  нас газов, например сероводорода. Правда, есть и другие, примитивные формы  жизни, которые могут процветать в таких условиях. Предполагают, что они развились в океанах, возможно, в результате случайных  объединений атомов в большие  структуры, называемые макромолекулами, которые обладали способностью группировать другие атомы в океане в такие  же структуры. Таким образом, они  самовоспроизводились и множились. Иногда в воспроизведении могли  произойти сбои. Эти сбои большей  частью состояли в том, что новая  макромолекула не могла воспроизвести  себя и, в конце концов, разрушалась. Но иногда в результате сбоев возникали  новые макромолекулы, даже более  способные к самовоспроизведению, что давало им преимущество, и они  стремились заменить собой первоначальные. Так начался процесс эволюции, который приводил к возникновению  все более и более сложных  организмов, способных к самовоспроизведению. Самые первые примитивные живые  организмы потребляли различные  вещества, в том числе сероводород, и выделяли кислород. В результате происходило постепенное изменение  земной атмосферы, состав которой, в  конце концов, стал таким, как сейчас, и возникли подходящие условия для  развития более высоких форм жизни, таких, как рыбы, рептилии, млекопитающие  и, наконец, человеческий род.

Пока  у нас еще нет полной и согласованной  теории, объединяющей квантовую механику и гравитацию. Но мы совершенно уверены  в том, что подобная единая теория должна иметь некоторые определенные свойства. Во-первых, она должна включать в себя фейнмановский метод квантовой  теории, основанный на суммах по траекториям  частицы. При таком методе в отличие от классической теории частица уже не рассматривается как обладающая одной-единственной траекторией. Напротив, предполагается, что она может перемещаться по всем возможным путям в пространстве-времени и любой ее траектории отвечает пара чисел, одно из которых дает длину волны, а другое – положение в периоде волны (фазу). Во избежание усложнений технического характера при вычислении фейнмановский сумм по траекториям следует переходить к мнимому времени. Это означает, что при расчетах время надо измерять не в действительных единицах, а в мнимых. Тогда в пространстве-времени обнаруживаются интересные изменения: в нем совершенно исчезает различие между временем и пространством. Пространство-время, в котором временная координата событий имеет мнимые значения, называют евклидовым, в честь древнегреческого ученого Евклида, основателя учения о геометрии двумерных поверхностей. То, что мы сейчас называем евклидовым пространством-временем, очень похоже на первоначальную геометрию Евклида и отличается от нее лишь числом измерений: четыре вместо двух. В евклидовом пространстве-времени не делается различий между осью времени и направлениями в пространстве. В реальном же пространстве-времени, где событиям отвечают действительные значения координаты времени, эти различия видны сразу: для всех событий ось времени лежит внутри светового конуса, а пространственные оси – снаружи. В любом случае, пока мы имеем дело с обычной квантовой механикой, мнимое время и евклидово пространство-время можно рассматривать просто как математический прием для расчета величин, связанных с реальным пространством-временем.