Содержание

    Введение

          Проблемы зарождения и существования Вселенной занимали самого древнего человека. Современные  ученые ищут ответы на следующие вопросы: Что было, когда Вселенная рождалась? Как давно это было и как происходило? Рождалась ли Вселенная вообще или она глобально стационарна?

          Для поиска ответов  на эти непростые вопросы в  астрономии появилась новая отрасль  – космология.

    Современная космология - это астрофизическая теория структуры и динамики изменения Метагалактики, включающая в себя и определенное понимание свойств всей Вселенной. Космология основывается на астрономических наблюдениях Галактики и других звездных систем, общей теории относительности, физике микропроцессов и высоких плотностей энергии, релятивистской термодинамике и ряде других новейших физических теорий.

    Данное  определение космологии берет в  качестве предмета этой науки только Метагалактику. Это связано с  тем, что все данные, которыми располагает современная наука, относятся только к конечной системе - Метагалактике, и ученые не уверены, что при простой экстраполяции свойств этой Метагалактики на всю Вселенную будут получены истинные результаты. При этом, безусловно, суждения о свойствах всей Вселенной являются необходимой составной частью космологии. Космология сегодня является фундаментальной наукой. И она больше, чем какая-либо другая фундаментальная наука, связана с различными философскими концепциями, по-разному понимающими устройство мира.

    Цель  работы: рассмотреть основные космологические  подходы к пониманию эволюции Вселенной. 

1. Космологические  модели Вселенной

    В классической науке существовала так  называемая теория стационарного состояния  Вселенной, согласно которой Вселенная  всегда была почти такой же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.

    Классическая  ньютоновская космология явно или неявно принимала следующие постулаты [4]

• Вселенная — это всесуществующая, «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, но не мир в целом.

    Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной.

    Ее  свойства как целого обусловлены  средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами. Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности. Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана самим Л. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответствии с космологической моделью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием [4]

    Эта модель казалась в то время вполне удовлетворительной, поскольку она  согласовывалась со всеми известными фактами. Но новые идеи, выдвинутые А. Эйнштейном, стимулировали дальнейшее исследование, и вскоре подход к  проблеме решительно изменился.

    В том же 1917 г. голландский астроном В. де Ситтер предложил другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае «пустой» Вселенной, свободной oт материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода космическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга и растворить всю систему. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.

    В 1922 г. российский математик и геофизик Л. А. Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и дал принятое в настоящее время решение космологической проблемы [7]

    Решение уравнений А. А. Фридмана, допускает три возможности. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния.

    Если  плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и  так же 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. По современным данным, средняя плотность материи во Вселенной меньше критической, так что более вероятной считается модель Лобачевского, т. е. пространственно бесконечная расширяющаяся Вселенная. Не исключено, что некоторые виды материи, которые имеют большое значение для величины средней плотности, пока остаются неучтенными. В связи с этим делать окончательные выводы о конечности или бесконечности Вселенной пока преждевременно.

    Начало третьего периода развития космологии связано с работами известного американского физика Георгия А. Гамова (1904—1968), русского по происхождению. В них исследуются физические процессы, происходившие на разных стадиях расширяющейся Вселенной [7]

    Общим для современных моделей вселенной является представление о нестационарном изотропном и однородном характере ее моделей.

    Изотропность  указывает на то, что во Вселенной  не существует каких- либо выделенных точек и направлений, т. е. ее свойства не зависят от направления Однородность характеризует распределение в среднем вещества во Вселенной. Последние утверждения часто называют космологическим постулатом. К нему добавляют также правдоподобное требование об отсутствии во Вселенной сил, препятствующих силам тяготения. При таких предположениях модели оказываются наиболее простыми. В их основе лежат уравнения общей теории относительности Эйнштейна, а также представления о кривизне пространства — времени и связи этой кривизны с плотностью массы вещества [6]

    В зависимости от кривизны пространства различают: открытую модель, в которой кривизна отрицательна или равна нулю; замкнутую модель с положительной кривизной.

    Расстояния  между скоплениями галактик со временем непрерывно увеличиваются, что соответствует  бесконечной Вселенной. В замкнутых моделях Вселенная оказывается конечной, но столь же неограниченной, так как, двигаясь по ней, нельзя достичь какой-либо границы. Независимо от того, рассматриваются ли открытые или замкнутые модели Вселенной, все ученые сходятся в том, что первоначально Вселенная находилась в условиях, которые трудно вообразить на Земле.

    Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и давления в сингулярности, в которой была сосредоточена материя. Такое допущение  вполне согласуется с установлением расширения Вселенной, которое могло начаться с некоторого момента, когда она находилась в очень горячем состоянии и постепенно охлаждалась по мере расширения.

    Такая модель "горячей" Вселенной впервые  была выдвинута Г. А. Гамовым и впоследствии названа стандартной.

    В 1929 г. американский астроном Э. П. Хаббл  обнаружил существование странной зависимости между расстоянием  и скоростью галактик: все галактики  движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально  расстоянию,— система галактик расширяется [6]

    Известный американский астроном Карл Саган (р. 1934) построил наглядную модель эволюции Вселенной, в которой космический год равен 15 млрд. земных лет, а 1 секунда — 500 годам; тогда в земных единицах времени эволюция представится так:

    Расширение  Вселенной считается научно установленным  фактом. Тот факт, что в настоящее время Вселенная расширяется, еще не позволяет однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели.

    2. Стандартная модель  эволюции Вселенной

    Современные представления об эволюции Вселенной  основываются на стандартной космологической модели Большого Взрыва.

    Кратко  описанная модель позволяет выделить ряд процессов самоорганизации  и деградации: 1. Исходный вакуум; 2. Возникновение  суперструн; 3. Рождение частиц; 4. Разделение вещества и излучения; 5. Рождение Солнца, звезд, галактик; 6. Возникновение цивилизации; 7. Гибель Солнца; 8. Гибель Вселенной [5]

    Согласно  стандартной модели, исходным состоянием Вселенной было квантовое вакуумное  состояние. С философской точки  зрения – это важное основоположение  космологии, свидетельствующее о качественной неуничтожимости материи и движения.

    Тот момент, с которого Вселенная начала расширятся, принято считать ее началом. Тогда началась первая и полная драматизма эра в истории вселенной, ее называют  «большим взрывом».  Стандартная космологическая модель охватывает основные этапы в эволюции Вселенной, однако она не отвечает на вопрос о причине Большого Взрыва (космического отталкивания).

    Согласно  теории А. Фридмана следует, что плотность  могла быть бесконечно  большой, хотя некоторые ученые называют некий возможный предел значения плотности вещества, примерно равный 10 ⁹⁷ кг/м ³.

          Другим важным параметром является температура. Вопрос о том, холодной» или «горячей» была материя в ту эпоху, долгое время  оставался спорным. Решающие доказательства, что Вселенная была горячей, удалось получить в середине 60-х годов. В настоящее время большинство космологов считает, что материя в начале расширения Вселенной была не только сверхплотной, но и очень горячей, а теория рассматривающая физические процессы в начале расширения Вселенной получила название «теории горячей Вселенной».

          Согласно этой теории, ранняя Вселенная представляла собой  гигантский ускоритель «элементарных» частиц. Началом работы Вселенского  ускорителя был Большой взрыв. Этот термин часто применяют современные космологи. Наблюдаемый разлет галактик и их скоплений – следствие Большого взрыва. Академик Я.Б. Зельдович назвал этот взрыв астрономическим, тем самым, подчеркнув его отличие от химического взрыва.

          В теории космологии приято эволюцию вселенной разделять на 4 эры [5]

    а) адронная эра (начальная фаза, характеризующаяся  высокой температурой и плотностью вещества, состоящего из элементарных частиц – «адронов»);

    б) лептонная эра (следующая фаза, характеризующаяся  снижением энергии частиц и температуры вещества, состоящего из элементарных частиц «лептонов». Адроны распадаются в мюоны и мюонное нейтрино – образуется «нейтринное море»;

    в) фотонная эра или эра излучения (характеризуется снижением температуры  до 10 К, аннигиляцией электронов и позитронов, давление излучения полностью отделяет вещество от антивещества);

    г) звездная эра (продолжительная эра  вещества, эпоха преобладания частиц, продолжается со времени завершения Большого взрыва (примерно 300 000 лет  назад) до наших дней.

          В нулевой момент времени Вселенная возникла из сингулярности, то есть из точки с нулевым объемом и бесконечно высокими плотностью и температурой. Пытаясь объяснить происхождение Вселенной, сторонники Большого взрыва сталкиваются с серьезной проблемой, поскольку исходное состояние Вселенной в разработанной ими модели не поддается математическому описанию. В их описаниях Вселенная в начале представляла собой точку пространства бесконечно малого объема, имевшую бесконечно большую плотность и температуру. Такое состояние вещества в принципе не может быть описано математически. На языке науки это явление получило название «сингулярности».

          В течение первой миллионной доли секунды, когда температура  значительно превышала 10 ¹² К (по некоторым оценкам до 10 ¹⁴ К), а плотность была немыслимо велика, происходили неимоверно быстро сменяющие себя экзотические взаимодействия, недоступные пониманию в рамках современной физики. Есть основания полагать, что к концу первой миллионной доли секунды уже существовал первичный «бульон» богатых энергией («горячих») частиц излучения (фотонов) и частиц вещества.  В те первые мгновения все имевшиеся частицы должны были непрерывно возникать (парами – частица и античастица) и аннигилировать. Это взаимное превращение частиц в излучение и обратно продолжалось до тез пор, пока плотность энергии фотонов превышала значение пороговой энергии образования частиц. Когда возраст Вселенной достиг одной сотой доли секунды, ее температура упала примерно до 10 ¹¹ К, став ниже порогового значения, при котором могут рождаться протоны и нейтроны, некоторые из этих частиц избежали аннигиляции – иначе в современной нам Вселенной не было бы вещества. Через 1 секунду после Большого взрыва температура понизилась до 10 ¹⁰ К, и нейтрино перестали взаимодействовать с веществом. Вселенная стала практически «прозрачной» для нейтрино. Электроны и позитроны еще продолжали аннигилировать и возникать снова, но примерно через 10 секунд уровень плотности энергии излучения упал ниже и их порога, и огромное число электронов и позитронов превратилось в излучение катастрофического процесса взаимной аннигиляции. По окончанию этого процесса, однако, осталось определенное количество электронов, достаточное, чтобы, объединившись с протонами и нейтронами, дать начало тому количеству вещества, которое мы наблюдаем сегодня во Вселенной. 

      “Большой взрыв” продолжался  сравнительно недолго, всего лишь одну тридцатитысячную  нынешнего возраста Вселенной. В столь короткое время (всего лишь несколько секунд) из богатого разнообразия видов элементарных частиц исчезли почти все: одни путем аннигиляции (превращение в гамма-фотоны), иные путем распада на самые легкие барионы (протоны) и на самые легкие заряженные лептоны (электроны) [7

       После “большого  взрыва”  наступила продолжительная эра вещества, эпоха преобладания частиц. Мы называем её звездной эрой. Она продолжается со времени завершения “большого взрыва” (приблизительно 300 000 лет) до наших дней. По сравнению с периодом “большим взрыва” её развитие представляется как будто слишком замедленным. Это происходит по причине низкой плотности и температуры.

    Имеется ряд данных, которые подтверждают теорию Большого взрыва.

    Во-первых, это данные о возрасте небесных тел. Мы знаем, что возраст Солнечной  системы близок к 4,6 млрд. лет. Менее  точно известен возраст самых старых звезд, скорее всего он близок к возрасту нашей и других галактик (10-15 млрд. лет). Следовательно, данные о возрасте небесных тел сопоставимы с данными о возрасте Метагалактики [6]

    Второе  подтверждение состоит в том, что данные радиоастрономии свидетельствуют, что в прошлом далекие внегалактические источники радиоизлучения излучали интенсивней, чем сегодня, следовательно, эти источники эволюционируют. Факт, что радиогалактики и квазары эволюционируют, причем время их эволюции совпадает со временем существования Метагалактики, говорит в пользу теории Большого взрыва.

    Третьим важным подтверждением рассматриваемой  теории, является наблюдаемая распространенность химических элементов с тем соотношением гелия и водорода (1/4 и 3/4 соответственно), которое возникло во время первичного термоядерного синтеза.

    Главным же подтверждением теории Большого взрыва («горячей Вселенной») считается открытие реликтового излучения. В чем  суть открытого реликтового излучения? Так называемый «отрыв» излучения от вещества происходил, когда температура в расширяющейся Вселенной была порядка 3000-4000 К. В ходе последующего расширения Вселенной температура снижалась, но характер излучения (его спектр) сохранился до наших дней, напоминая о далекой «молодости» Метагалактики. Советский астрофизик И.С. Шкловский предложил называть это излучение реликтовым. Теория предсказала существование реликтового излучения. Теоретические оценки температуры реликтового излучения были даны в 40-50 г.г. в работах Г.А. Гамова, а затем его учеников Р. Альфреда и Р. Германа. В 1964 г. советские астрофизики И.Д. Новиков и А.Г. Дорошкевич впервые выполнили конкретные расчеты интенсивности излучения различных объектов: звезд, межзвездной пыли, галактики и т.д.

    В конце 60-х годов группа американских ученых во главе с Р. Дикке приступила к попыткам обнаружить реликтовое излучение. Но их опередили А. Пензиас и Р. Вильсон, получившие в 1978 г. Нобелевскую премию за открытие микроволнового фона (это официальное название реликтового излучения) на волне 7,35 см.

    Однако  есть и проблемы при объяснении теории «большого взрыва» [1]

    Попытки ученых создать чисто физическую модель происхождения Вселенной  основываются на трех постулатах:

    1) все явления природы могут  быть исчерпывающе объяснены физическими законами, выраженными в математической форме;

    2) эти физические законы универсальны  и не зависят от времени  и места; 

    3) все основные законы природы  просты.

    Многие  люди принимают эти постулаты  как нечто само собой разумеющееся, но на самом деле никто и никогда не мог доказать их истинности, более того, доказать их справедливость далеко не просто. Строго говоря, у нас нет никаких логических оснований заранее отвергать альтернативные подходы к пониманию Вселенной. Нельзя исключить, что в основе Вселенной лежат принципиально иные законы, не поддающиеся простому математическому выражению. И тем не менее многие ученые, путая свое понимание Вселенной с ее истинной природой, заранее отвергают альтернативные подходы.

    Существует  несколько психологических причин, заставляющих ученых держаться за редукционистский подход. Если структура Вселенной может быть описана простыми количественными законами, то у ученых, несмотря на ограниченность человеческого разума, появляется надежда рано или поздно понять эту структуру (и таким образом получить ключ к управлению Вселенной). Поэтому они исходят из того, что такое описание возможно, и создают тысячи различных теорий. Но если наша Вселенная бесконечно сложна, то нам, с нашим ограниченным умом и чувствами, будет очень трудно познать ее.

    Однако, следует признать возможность того, что представления ученых о том, что физические законы открытые ими в лабораториях, на Земле, действуют во всей Вселенной и на всех этапах ее эволюции, мягко говоря, необоснованны. С одной стороны без таких допущений не может обойтись ни одна попытка объяснения происхождения Вселенной, ведь мы не можем вернуться на миллиарды лет назад и получить прямую информацию о зарождении нашей Вселенной. С другой стороны, многие ученые признают рискованность переноса наших весьма ограниченных знаний на мироздание в целом. Возможно, сама попытка создать простую математическую модель Вселенной не вполне корректна и сопряжена с трудностями принципиального характера.

          Первой проблемой  является понятие «сингулярности». Попытки физически описать исходное состояние Вселенной не увенчались успехом. Этот вопрос, а также концептуальные трудности, связанные с описанием сингулярной точки в исходный момент времени, являются одной из основных проблем современной научной мысли».На сегодняшний день это препятствие не смогли преодолеть даже самые выдающиеся ученые, разрабатывающие теорию Большого взрыва [1]

          Во-вторых, несмотря на то, что теория Большого взрыва основывается на общей теории относительности, она  допускает разбегание некоторых частиц со скоростями, превышающими скорости света.

    В-третьих, довольно абстрактно и вольно рассматриваются  такие сложные вопросы, как границы  и открытость Вселенной, евклидова  и неевклидова модель Вселенной.

          В-четвертых, не находят веского фактического подтверждения существование таких частиц как гипероны и мезоны, которые по теоретическим выкладкам «удобно» вписываются в существующую теорию.

          Перечень претензий  неисчерпаем. Основное же замечание  состоит в том, что все методы анализа, исследования, выдвижение теорий и гипотез осуществляется при высокой степени допущений. Такая степень допущений не позволительна для такой глобальной теории, как теория Большого взрыва.

    3. Философско-мировоззренческие  проблемы космологической  эволюции

    Возникновение и развитие современной релятивистской космологии имеет большое мировоззренческое значение. Оно во многом изменило наши прежние представления о научной картине мира. Особенно радикальным было открытие так называемого красного смещения, свидетельствующего о расширении Вселенной [4]

    Этот  факт нельзя было не учитывать при  построении космологических моделей. Считать ли Вселенную бесконечной  или конечной — зависит от конкретных эмпирических исследований и, прежде всего  от определения плотности материи  во Вселенной, что имеет решающее значение для оценки кривизны пространства — времени. Очевидно, что при нулевой или отрицательной кривизне модель должна быть открытой, при положительной— замкнутой. Однако оценка плотности распределения материи во Вселенной наталкивается на серьезные трудности, связанные с наличием так называемого скрытого (невидимого) вещества в виде темных облаков космической материи.

    Хотя  никакого окончательного вывода о том, является ли Вселенная открытой или  замкнутой, сделать пока еще нельзя, но многие свидетельства говорят, по- видимому, в пользу открытой бесконечной ее модели. Во всяком случае, такая модель лучше согласуется с неограниченно расширяющейся Вселенной.

    Замкнутая же модель предполагает конец такого расширения и допущение ее последующего сжатия. Как мы уже отмечали выше, коренной недостаток такой модели состоит в том, что пока современная наука не располагает какими-либо фактами, подтверждающими подобное сжатие. К тому же сторонники замкнутой Вселенной признают, что эволюция Вселенной началась с "большого взрыва". Наконец, остается нерешенной и проблема оценки плотности распределения материи и связанной с ней величины кривизны пространства — времени. Важной проблемой остается и оценка возраста Вселенной, который определяется по длительности ее расширения. Если бы расширение Вселенной происходило с постоянной скоростью, равной в настоящее время 75 км/с, то время, истекшее с начала "большого взрыва", составило бы 13 млрд. лет.

    Однако  есть основания считать, что ее расширение происходит с замедлением. Тогда возраст Вселенной будет меньше. С другой стороны, если допустить существование отталкивающих космологических сил, тогда возраст Вселенной будет больше [6]

    Значительные  трудности связаны также с  обоснованием первоначально "горячей" модели в сингулярной области, поскольку предполагаемые плотности и температуры никогда не наблюдались и не анализировались в современной астрофизике. Но развитие науки продолжается, и есть основания надеяться, что и эти труднейшие проблемы со временем будут разрешены.

    Заключение

    В литературе по космологии высказывается  мнение, что различные космологические  модели Вселенной, выдвинутые на основе решения уравнений общей теории относительности, могут характеризовать  не просто одну нашу Вселенную, но разные состояния Вселенной в разные периоды ее существования в прошлом и будущем, аналогично потенциально возможным мирам в концепции Лейбница. Все, что не запрещено законами          природы, где-нибудь и когда-нибудь может быть реализовано.

    Главный же итог современных космологических исследований состоит в том, что они показали, что Вселенная не находится в стационарном состоянии, она непрерывно изменяется вследствие понижения в ней температуры и связанного с этим процесса ее расширения. Именно в результате такого процесса происходит эволюция материи, связанная с появлением все новых и сложных структур.