Модель Большого взрыва и расширяющейся Вселенной. 3

МОДЕЛЬ  БОЛЬШОГО ВЗРЫВА И РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ  ВСЕЛЕННОЙ

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 2

1. Гипотеза Большого Взрыва. 3

2. Модель расширяющейся Вселенной. 6

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 10

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 12

ВВЕДЕНИЕ

Наблюдаемая нами Вселенная, по данным современной  науки, возникла в результате Большого взрыва около 15-20 млрд. лет назад. Представление  о Большом Взрыве является составной  частью модели расширяющейся Вселенной.

Все вещество Вселенной в начальном состоянии  находилось в сингулярной точке: бесконечная плотность массы, бесконечная  кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при  которой могла существовать только смесь элементарных частиц. Затем  последовал взрыв.

«Вначале  был взрыв. Не такой взрыв, который  знаком нам на Земле и который  начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все  пространство, причем каждая частица  материи устремилась прочь от любой другой частицы», – писал в своей работе С. Вейнберг¹.

Что же было после Большого взрыва? Образовался  сгусток плазмы – состояния, в котором находятся элементарные частицы – нечто среднее между твердым и жидким состоянием, который и начал расширяться все больше и больше под действием взрывной волны. Через 0,01 сек. после начала Большого Взрыва во Вселенной появилась смесь легких ядер. Так появились не только материя и многие химические элементы, но и пространство и время.

Но теория Большого взрыва не может разрешить  три фундаментальные проблемы: что  было до начального момента, какова природа  сингулярности и каким образом  формировались галактики. 

1. Гипотеза Большого Взрыва.

Большой Взрыв – начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии.

Примерно  15 миллиардов лет назад, в гигантском взрыве началась Вселенная – горячий Большой взрыв! Её последующая эволюция от одной сотой секунды до сегодняшнего дня может быть надежно описана моделью Большого взрыва. Эта модель включает расширение Вселенной, возникновение легких элементов и реликтовое излучение от первоначального ядра, а также общие контуры понимания формирования галактик и других крупномасштабных структур. Фактически, модель Большого взрыва в настоящее время является настолько хорошо подтвержденной, что её называют стандартной космологией.

Согласно  космологической модели Фридмана –  Леметра, Вселенная возникла в момент Большого взрыва – около 20 млрд. лет назад, и ее расширение продолжается до сих пор, постепенно замедляясь. В первое мгновение взрыва материя Вселенной имела бесконечную плотность и температуру – такое состояние называют сингулярностью².

Согласно  общей теории относительности, гравитация не является реальной силой, а есть искривление пространства-времени: чем больше плотность материи, тем  сильнее искривление. В момент начальной  сингулярности искривление тоже было бесконечным. Можно выразить бесконечную  кривизну пространства-времени другими  словами, сказав, что в начальный  момент материя и пространство одновременно взорвались везде во Вселенной.

По мере увеличения объема пространства расширяющейся  Вселенной плотность материи  в ней падает. С.Хокинг и Р.Пенроуз  доказали, что в прошлом непременно было сингулярное состояние, если общая  теория относительности применима  для описания физических процессов  в очень ранней Вселенной³.

Чтобы избежать катастрофической сингулярности в  прошлом, требуется существенно  изменить физику, например, предположив  возможность самопроизвольного  непрерывного рождения материи, как  в теории стационарной Вселенной. Но астрономические наблюдения не дают для этого никаких оснований.

Изучая  процессы, происходившие сразу после  Большого взрыва, мы понимаем, что наши физические теории еще весьма несовершенны. Тепловая эволюция ранней Вселенной  зависит от рождения массивных элементарных частиц – адронов, о которых ядерная  физика знает еще мало. Многие из этих частиц нестабильны и короткоживущи.

Физик Р.Хагедорн считает, что может существовать великое множество адронов возрастающих масс, которые в изобилии могли формироваться при температуре порядка 1012 К, когда гигантская плотность излучения приводила к рождению адронных пар, состоящих из частицы и античастицы. Этот процесс должен был бы ограничить рост температуры в прошлом⁴.

Согласно  другой точке зрения, количество типов  массивных элементарных частиц ограничено, поэтому температура и плотность  в период адронной эры должны были достигать бесконечных значений. В принципе это можно было бы проверить: если бы составляющие адронов – кварки – были стабильными частицами, то некоторое количество кварков и антикварков должно было сохраниться от той горячей эпохи. Но поиск кварков оказался тщетным; скорее всего, они нестабильны.

После первой миллисекунды расширения Вселенной  сильное (ядерное) взаимодействие перестало  играть в ней определяющую роль: температура снизилась настолько, что атомные ядра перестали разрушаться. Дальнейшие физические процессы определялись слабым взаимодействием, ответственным  за рождение легких частиц – лептонов (т.е. электронов, позитронов, мезонов  и нейтрино) под действием теплового  излучения. Когда в ходе расширения температура излучения понизилась примерно до 1010 К, лептонные пары перестали  рождаться, почти все позитроны  и электроны аннигилировали; остались лишь нейтрино и антинейтрино, фотоны и немного сохранившихся с  предшествующей эпохи протонов и  нейтронов. Так завершилась лептонная  эра.

Следующая фаза расширения – фотонная эра  – характеризуется абсолютным преобладанием  теплового излучения. На каждый сохранившийся  протон или электрон приходится по миллиарду фотонов. Вначале это  были гамма-кванты, но по мере расширения Вселенной они теряли энергию  и становились рентгеновскими, ультрафиолетовыми, оптическими, инфракрасными и, наконец, сейчас стали радиоквантами, которые  мы принимаем как чернотельное фоновое (реликтовое) радиоизлучение.

Первое  подтверждение факта взрыва пришло в 1964 году, когда американские радиоастрономы Р. Вильсон и А. Пензиас обнаружили реликтовое электромагнитное излучение  с температурой около 3° по шкале  Кельвина (–270°С). Именно это открытие, неожиданное для ученых, убедило  их в том, что Большой взрыв действительно имел место и поначалу Вселенная была очень горячей⁵. Теория Большого взрыва позволила объяснить множество проблем, стоявших перед космологией. Но, к сожалению, а может, и к счастью, она же поставила и ряд новых вопросов.

Все это  указывало на то, что теория Большого взрыва неполна. Долгое время казалось, что продвинуться далее уже невозможно. Только четверть века назад благодаря  работам российских физиков Э. Глинера  и А. Старобинского, а также американца А. Гуса было описано новое явление  – сверх-быстрое инфляционное расширение Вселенной.

Вопрос  о происхождении Вселенной со всеми ее известными и пока неведомыми свойствами испокон веков волнует  человека. Но только в XX веке, после  обнаружения космологического расширения, вопрос об эволюции Вселенной стал понемногу проясняться.

Последние научные данные позволили сделать  вывод, что наша Вселенная родилась 15 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва. Но что именно взорвалось в тот момент и что, собственно, существовало до Большого взрыва, по-прежнему оставалось загадкой. Созданная в  конце XX века инфляционная теория появления  нашего мира позволила существенно  продвинуться в разрешении этих вопросов, и общая картина первых мгновений  Вселенной сегодня уже неплохо  прорисована, хотя многие проблемы еще  ждут своего часа.

2. Модель расширяющейся  Вселенной.

Вселенная началась около 15 миллиардов лет назад в яростном взрыве; в ранней сверхплотной фазе каждая частица бросилась прочь от каждой другой частицы. Тот факт, что галактики удаляются от нас во всех направлениях, является следствием этого начального взрыва, и он является первым обнаруженным Хабблом наблюдательным открытием.

Сегодня существуют прекрасные доказательства закона Хаббла, который утверждает, что скорость удаления v галактики пропорциональна расстоянию от нас до неё d , то есть, v = Hd, где H есть постоянная Хаббла. Мысленное продолжение траекторий галактик назад во времени показывает, что они сходятся в состояние с высокой плотностью – первоначальное ядро⁶.

Коперниковский  или космологический принцип  утверждает, что Вселенная одинакова  во всех направлениях и в любой  точке пространства. Это приводит к заключеию, что наше положение  во Вселенной – по отношению к очень большим масштабам – ни в коей мере не является особенным.

Для такого утверждения существуют значительные наблюдательные основания, включая  измеренные распределения галактик и слабых радиоисточников, хотя наилучшим  доказательством является практически  совершенная однородность реликтового  космического микроволнового фонового излучения. Это означает, что любой наблюдатель, находящийся где-угодно во Вселенной будет наслаждаться во многом такими же видами, что и мы, включая наблюдение, что галактики удаляются от него.

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 предположения⁷:

1) свойства  Вселенной одинаковы во всех  ее точках (однородность) и направлениях (изотропность);

2) наилучшим  известным описанием гравитационного  поля являются уравнения Эйнштейна.  Из этого следует так называемая  кривизна пространства и связь  кривизны с плотностью массы  (энергии). Космология, основанная на  этих постулатах, – релятивистская.

Важным  пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности:

1) принципом  относительности, гласящим, что во  всех инерциональных системах  все законы сохраняются вне  зависимости от того, с какими  скоростями, равномерно и прямолинейно  движутся эти системы друг  относительно друга; 

2) экспериментально  подтвержденным постоянством скорости  света. 

Из принятия теории относительности вытекало в  качестве следствия (первым это заметил  А.А. Фридман в 1922 году), что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. 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 нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение», то есть линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн⁸.

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 подтверждало гипотезу об удалении их, то есть о расширении Мегагалактики – видимой части Вселенной.

Красное смещение надежно подтверждает теоретический  вывод о нестационарности области  нашей Вселенной с линейными  размерами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении, по меньшей мере, нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может  быть измерена, оставаясь теоретической  гипотезой.

Возможные сценарии развития нашего мира

1. Пульсирующая  модель Вселенной, при которой  вслед за периодом расширения  наступает период сжатия и  все заканчивается Большим хлопком.

2. Вселенная  со строго подогнанной средней  плотностью, в точности равной  критической. В этом случае  наш мир Евклидов, и его расширение  все время замедляется.

3. Равномерно  расширяющаяся по инерции Вселенная.  Именно в пользу такой открытой  модели мира до последнего  времени свидетельствовали данные  о подсчете средней плотности  нашей Вселенной.

4. Мир,  расширяющийся со все нарастающей  скоростью. Новейшие экспериментальные  данные и теоретические изыскания  говорят о том, что Вселенная  разлетается все быстрее, и, несмотря на евклидовость нашего мира, большая часть галактик в будущем будет нам недоступна. И виновата в столь странном устроении мира та самая темная энергия, которую сегодня связали с некоей внутренней энергией вакуума, заполняющего все пространство.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

До начала прошлого века было всего два взгляда  на происхождение нашей Вселенной. Ученые полагали, что она вечна  и неизменна, а богословы говорили, что Мир сотворен и у него будет  конец. Двадцатый век, разрушив очень  многое из того, что было создано  в предыдущие тысячелетия, сумел  дать свои ответы на большинство вопросов, занимавших умы ученых прошлого. И  быть может, одним из величайших достижений ушедшего века является прояснение вопроса  о том, как возникла Вселенная, в  которой мы живем, и какие существуют гипотезы по поводу ее будущего.

Вселенная, рассматриваемая как единое целое, – физическая система со своими особыми свойствами, которые не сводятся к сумме свойств населяющих ее астрономических тел. Эти свойства проявляются в явлениях самых больших пространственно-временных масштабов. Их изучает космология – наука, опирающаяся на астрокосмические наблюдения и общие законы физики. Вселенная – самый крупный по масштабу объект науки.

Расширение  Вселенной – одна из фундаментальных концепций современной науки – до сих пор получает различное толкование. Не следует воспринимать термин "Большой взрыв" буквально. Он не был бомбой, взорвавшейся в центре Вселенной. Это был взрыв самого пространства, который произошел повсеместно, подобно тому, как расширяется поверхность надуваемого воздушного шара⁹.

Понимание различия между расширением пространства и расширением в пространстве крайне важно для того, чтобы понять, каков размер Вселенной, скорость разбегания галактик, а также возможности астрономических наблюдений и природы ускорения расширения, которое, вероятно, испытывает Вселенная. Модель Большого взрыва описывает лишь то, что случилось после него.

Теория  Большого взрыва не дает нам информации о размере Вселенной и даже о том, конечна она или бесконечна. Теория относительности описывает, как расширяется каждая область  пространства, но ничего не говорится  о размере или форме.

Открытие  расширяющейся Вселенной было одним  из великих интеллектуальных переворотов  двадцатого века.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Баренбаум А.А. Галактика. Солнечная система. Земля. М., 2002. – 234 с.
2. Ващекин Н.П. Концепции современного естествознания.- М.: МГУК, 2000,  189 с.
3. Вейнберг С. Гравитация и космология. Принципы и приложения общей теории относительности. – М.: 1975, 695 с.
4. Климишин И.А. Релятивистская астрономия. – М., Наука, 1989.
5. Концепции современного естествознания. / Под ред. С.И. Самыгина. – Ростов /нД: “Феликс”, 2002. – 448 с.
6. Кэри У. В поисках закономерностей развития Земли и Вселенной. – М., Мир. 1991.
7. Мэй Б., Мур П., Линтотт К. Большой взрыв. Полная история Вселенной. – М.: Ниола-Пресс, 2007. – 192 с.
8. Панасюк М.И. Странники Вселенной или эхо Большого взрыва. – М.: 2005, 267 с.
9. Пенроуз Р. Гравитационный коллапс и пространственно-временные сингулярности // Альберт Эйнштейн и теория гравитации. – М., 1979.
10. Силк Дж. Большой взрыв. Рождение и эволюция Вселенной. – М., Мир, 1982.
11. Френкель В.А., Чернин А.Д. От альфа-распада до Большого Взрыва. – М., Знание, 1990.
12. Хокинг С. От Большого взрыва до черных дыр (краткая история времени). – М., Мир, 1990.

На тему: Модель большого взрыва и расширяющейся  Вселенной

Выполнил Голиков  А.С.

Студент 2 курса

Группы 20 ГМУ 

СОЧИ 2002 г.

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 моего реферата состоит  в том, чтоб разобраться, что же  все-таки представляет с себя вселенная. В моем реферате поставлены такие  задачи:

1.     

2.       Рассмотреть взгляды различных ученых, философов, политологов о том, как расширяется вселенная?

3.     

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. Гипотетическое  представление о Вселенной

 
         Как-то один известный ученый ( Бертран  Рассел) читал публичную лекцию об астрономии. Он рассказывал, как Земля  вращается вокруг Солнца, а Солнце, в свою очередь, вращается вокруг центра огромного скопления звезд, которое называют нашей Галактикой. Когда лекция подошла к концу, из последних рядов зала поднялась  маленькая пожилая леди и сказала: "Все, что вы нам говорили, - чепуха. На самом деле наш мир - это плоская  тарелка, которая стоит па спине  гигантской черепахи". Снисходительно улыбнувшись, ученый спросил: "А на чем держится черепаха?" - "Вы очень  умны, молодой человек, - ответила пожилая  леди. - Черепаха - на другой черепахе, та - тоже на черепахе, и так все ниже и ниже".  
         Такое представление о Вселенной как о бесконечной башне из черепах большинству из нас покажется смешным, но почему мы думаем, что сами знаем лучше? Что нам известно о Вселенной, и как мы это узнали? Откуда взялась Вселенная, и что с ней станется? Было ли у Вселенной начало, а если было, то что происходило до начала? Какова сущность времени? Кончится ли оно когда-нибудь? Достижения физики последних лет, которыми мы частично обязаны фантастической новой технике, позволяют наконец получить ответы хотя бы на отдельные из таких давно поставленных вопросов. Пройдет время, и эти ответы, может быть, станут столь же очевидными, как-то, что Земля вращается вокруг Солнца, а может быть, столь же нелепыми, как башня из черепах. Только время (чем бы оно ни было) решит это.  
         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. (Поскольку Полярная звезда находится над Северным полюсом, она будет прямо над головой наблюдателя, стоящего на Северном полюсе, а человеку на экваторе покажется, что она на линии горизонта). 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. У греков был еще и третий довод в пользу шарообразной формы Земли: если Земля не круглая, то почему же мы сначала видим паруса корабля, поднимающиеся над горизонтом, и только потом сам корабль?  
         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, как мы видим, 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. (Вначале, опасаясь, наверное, того, что Церковь  объявит его еретиком, Коперник пропагандировал  свою модель анонимно). 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 тения, 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. (Рассказ о том, что Ньютона вдохновило яблоко, упавшее ему на голову, почти наверняка недостоверен. Сам Ньютон сказал об этом лишь то, что мысль о тяготении пришла, когда он сидел в "созерцательном настроении", и "поводом было падение яблока"). 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, казалось бы, не могут оставаться совсем неподвижными. Не должны ли они упасть друг на друга, сблизившись в какой-то точке? 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.  
         Эти рассуждения - пример того, как легко попасть впросак, ведя разговоры о бесконечности. В бесконечной Вселенной любую точку можно считать центром, так как по обе стороны от нее число звезд бесконечно. Лишь гораздо позже поняли, что более правильный подход - взять конечную систему, в которой все звезды падают друг на друга, стремясь к центру, и посмотреть, какие будут изменения, если добавлять еще и еще звезд, распределенных приблизительно равномерно вне рассматриваемой области. По закону Ньютона дополнительные звезды в среднем никак не повлияют на первоначальные, т. е. звезды будут с той же скоростью падать в центр выделенной области. Сколько бы звезд мы ни добавили, они всегда будут стремиться к центру. В наше время известно, что бесконечная статическая модель Вселенной невозможна, если гравитационные силы всегда остаются силами взаимного притяжения.  
         Интересно, каким было общее состояние научной мысли до начала XX в.: никому и в голову не пришло, что Вселенная может расширяться или сжиматься. Все считали, что Вселенная либо существовала всегда в неизменном состоянии, либо была сотворена в какой-то момент времени в прошлом примерно такой, какова она сейчас. Отчасти это, может быть, объясняется склонностью людей верить в вечные истины, а также особой притягательностью той мысли, что, пусть сами они состарятся и умрут, Вселенная останется вечной и неизменной.  
         Даже тем ученым, которые поняли, что ньютоновская теория тяготения делает невозможной статическую Вселенную, не приходила в голову гипотеза расширяющейся Вселенной. Они попытались модифицировать теорию, сделав гравитационную силу отталкивающей на очень больших расстояниях. Это практически не меняло предсказываемого движения планет, но зато позволяло бесконечному распределению звезд оставаться в равновесии, так как притяжение близких звезд компенсировалось отталкиванием от далеких. Но сейчас мы считаем, что такое равновесие оказалось бы неустойчивым. В самом деле, если в какой-то области звезды чуть-чуть сблизятся, то силы притяжения между ними возрастут и станут больше сил отталкивания, так что звезды будут и дальше сближаться. Если же расстояние между звездами чуть-чуть увеличится, то перевесят силы отталкивания и расстояние будет нарастать.  
         Еще одно возражение против модели бесконечной статической Вселенной обычно приписывается немецкому философу Генриху Олберсу, который в 1823 г. опубликовал работу, посвященную этой модели. На самом деле многие современники Ньютона занимались той же задачей, и статья Олберса была даже не первой среди работ, в которых высказывались серьезные возражения. Ее лишь первой стали широко цитировать. 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. Но возникает вопрос: почему зажглись звезды?  
         Конечно, проблема возникновения Вселенной занимала умы людей уже очень давно. Согласно ряду ранних космогонии и иудейско-христианско-мусульманским мифам, наша Вселенная возникла в какой-то определенный и не очень отдаленный момент времени в прошлом. Одним из оснований таких верований была потребность найти "первопричину" существования Вселенной. Любое событие во Вселенной объясняют, указывая его причину, т. е. другое событие, произошедшее раньше; подобное объяснение существования самой Вселенной возможно лишь в том случае, если у нее было начало. Другое основание выдвинул Блаженный Августин (православная Церковь считает Августина блаженным, а Католическая - святым. - прим. ред.). 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. (Интересно, что эта дата не так уж далека от конца последнего ледникового периода - 10 000 лет до н. э., который археологи считают началом цивилизации).  
         Аристотелю же и большинству других греческих философов не нравилась идея сотворения Вселенной, так как она связывалась с божественным вмешательством. Поэтому они считали, что люди и окружающий их мир существовали и будут существовать вечно. Довод относительно прогресса цивилизации ученые древности рассматривали и решили, что в мире периодически происходили потопы и другие катаклизмы, которые все время возвращали человечество к исходной точке цивилизации.  
         Вопросы о том, возникла ли Вселенная в какой-то начальный момент времени и ограничена ли она в пространстве, позднее весьма пристально рассматривал философ Иммануил Кант в своем монументальном (и очень темном) труде "Критика чистого разума", который был издан в 1781 г. Он назвал эти вопросы антиномиями (т. е. противоречиями) чистого разума, так как видел, что в равной мере нельзя ни доказать, ни опровергнуть ни тезис о необходимости начала Вселенной, ни антитезис о ее вечном существовании. Тезис Кант аргументировал тем, что если бы у Вселенной не было начала, то всякому событию предшествовал бы бесконечный период времени, а это Кант считал абсурдом. В поддержку антитезиса Кант говорил, что если бы Вселенная имела начало, то ему предшествовал бы бесконечный период времени, а тогда спрашивается, почему Вселенная вдруг возникла в тот, а не другой момент времени? На самом деле аргументы Канта фактически одинаковы и для тезиса, и для антитезиса. Он исходит из молчаливого предположения, что время бесконечно в прошлом независимо от того, существовала или не существовала вечно Вселенная. Как мы увидим ниже, до возникновения Вселенной понятие времени лишено смысла.  
         Когда большинство людей верило в статическую и неизменную Вселенную, вопрос о том, имела она начало или нет, относился, в сущности, к области метафизики и теологии. Все наблюдаемые явления можно было объяснить как с помощью теории, в которой Вселенная существует вечно, так и с помощью теории, согласно которой Вселенную сотворили в какой-то определенный момент времени таким образом, чтобы все выглядело, как если бы она существовала вечно. Но в 1929 г. Эдвин Хаббл сделал эпохальное открытие: оказалось, что в какой бы части неба ни вести наблюдения, все далекие галактики быстро удаляются от нас. Иными словами, Вселенная расширяется. Это означает, что в более ранние времена все объекты были ближе друг к другу, чем сейчас. Значит, было, по-видимому, время, около десяти или двадцати тысяч миллионов лет назад, когда они все находились в одном месте, так что плотность Вселенной была бесконечно большой. Сделанное Хабблом открытие перевело вопрос о том, как возникла Вселенная, в область компетенции науки.  
         Наблюдения Хаббла говорили о том, что было время - так называемый большой взрыв, когда Вселенная была бесконечно малой и бесконечно плотной. При таких условиях все законы науки теряют смысл и не позволяют предсказывать будущее. Если в еще более ранние времена и происходили какие-либо события, они все равно никак не смогли бы повлиять на то, что происходит сейчас. Из-за отсутствия же наблюдаемых следствий ими можно просто пренебречь. Большой взрыв можно считать началом отсчета времени в том смысле, что более ранние времена были бы просто не определены. Подчеркнем, что такое начало отсчета времени очень сильно отличается от всего того, что предлагалось до Хаббла. Начало времени в неизменяющейся Вселенной есть нечто, что должно определяться чем-то, существующим вне Вселенной; для начала Вселенной нет физической необходимости. Сотворение Богом Вселенной можно в своем представлении относить к любому моменту времени в прошлом. Если же Вселенная расширяется, то могут существовать физические причины для того, чтобы она имела начало. Можно по-прежнему представлять себе, что именно Бог создал Вселенную - в момент большого взрыва или даже позднее (но так, как если бы произошел большой взрыв). Однако было бы абсурдно утверждать, что Вселенная возникла раньше большого взрыва. Представление о расширяющейся Вселенной не исключает создателя, но налагает ограничения на возможную дату его трудов!          

Поскольку уже существующих частных теорий вполне достаточно, чтобы делать точные предсказания во всех ситуациях, кроме самых экстремальных, поиск окончательной теории Вселенной  не отвечает требованиям практической целесообразности. (Заметим, однако, что  аналогичные возражения можно было бы выдвинуть против теории относительности  и квантовой механики, а ведь именно эти теории произвели революцию  в ядерной физике и в микроэлектронике!) Таким образом, открытие полной единой теории, может быть, не будет способствовать выживанию и даже никак не повлияет на течение нашей жизни. Но уже  на заре цивилизации людям не нравились  необъяснимые и не связанные между  собой события, и они страстно желали понять тот порядок, который  лежит в основе нашего мира. По сей  день мы мечтаем узнать, почему мы здесь  оказались и откуда взялись. Стремление человечества к знанию является для  нас достаточным оправданием, чтобы  продолжать поиск. А наша конечная цель - никак не меньше, чем полное описание Вселенной, в которой мы обитаем.

1.2 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 (т. е. свет от нее  идет до Земли около четырех 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 но 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 но составлению каталога положений огромного количества звезд и расстояний до них. Но даже после этого представление о спиральных галактиках было принято всеми лишь в начале нашего века.  
         Современная картина Вселенной возникла только в 1924 г., когда американский астроном Эдвин Хаббл показал, что наша Галактика не единственная. На самом деле существует много других галактик, разделенных огромными областями пустого пространства. 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 (се светимости), и от того, гдe 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, рассуждал Хаббл, 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.