Основные космологические гипотезы. Происхождение Вселенной

Основные космологические гипотезы. Происхождение Вселенной

Происхождение, эволюция и устройство Вселенной как целого изучаются космологией. Космология представляет собой синтез научных и философских знаний. Именно этим определяется ее специфика. Выводы космологии почти полностью обусловлены теми философскими принципами, на которые опирается исследователь. Размышления о происхождении и устройстве Вселенной эмпирически трудно проверяемы и существуют в виде теоретических гипотез или математических моделей. Космолог движется от теории к практике, от модели к эксперименту, в этом случае роль исходных философских и общенаучных оснований существенно возрастает. Именно поэтому космологические модели радикально различаются между собой – в их основе лежат разные, порой конфликтующие мировоззренческие принципы.

Началом революции в астрономии считается создание в 1917 г. А. Эйнштейном стационарной релятивистской космологической модели. В ее основу положена релятивистская теория тяготения, обоснованием которой служит общая теория относительности. А. Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по мнению А. Эйнштейна, зависят от распределения в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но при этом замкнута в пространстве. Сигнал, пущенный наблюдателем во Вселенной, вернется к нему с противоположной стороны. Согласно стационарной релятивистской модели пространство однородно и изотропно, материя распределена в нем равномерно, время бесконечно, а его течение не влияет на свойства Вселенной. Таким образом, несмотря на новизну и даже революционность идей, А. Эйнштейн в своей космологической теории ориентировался на привычную классическую мировоззренческую установку статичности мира: А. Эйнштейна более привлекал гармоничный и устойчивый мир, нежели мир противоречивый и неустойчивый. В конце жизни великий ученый с сожалением говорил о том, что теория статичной Вселенной не имеет эмпирического подтверждения.

В 1922 г. российский математик и физик А. Фридман выступил с критикой теории А. Эйнштейна. Его идеи стали началом нестационарной релятивисткой космологии. Космологическая концепция А. Фридмана основывается на нескольких принципах.

1. Космологический принцип  однородности и изотропности пространства. Изотропность означает, что во Вселенной не существует выделенных точек и направлений. Однородность характеризует распределение вещества во Вселенной. Космологический постулат имеет сильный и слабый варианты. Слабый вариант предполагает независимость процессов, протекающих во Вселенной, от направления (изотропность) и места (однородность). Сильный вариант космологического принципа предполагает независимость (инвариантность преобразований) процессов не только от направления и места, но и от времени. Это значит, что Вселенная выглядит одинаково из любого места, в любом направлении и в любой момент времени. Этот принцип получил название совершенного космологического принципа.

2. Релятивистский принцип  взаимосвязи пространства и времени  и их зависимости от материи. Пространственно-временная метрика  Вселенной задается гравитационными  полями, признаются также искривленность  пространства и замедление времени  во всех частях Метагалактики. Пространственно-временная метрика  описывается уравнениями общей  теории относительности.

3. Принцип конечной скорости протекания любых физических процессов.

4. Принцип нестационарности Вселенной, поначалу основанный только на математических расчетах, согласно которым искривленное пространство не может быть стационарным, его кривизна должна меняться во времени.

Все эти принципы дают основание переносить данные, полученные в одной части Вселенной, на все остальные ее части.

А. Фридман предложил три модели Вселенной. В первой рассматривается случай средней плотности вещества и неискривленности пространства. В такой ситуации Вселенная должна бесконечно расширяться из некоторой исходной точки. Во второй модели предполагалась плотность вещества меньше критической. В этом случае пространство обладает отрицательной кривизной, а Вселенная также должна неограниченно расширяться из начальной точки. В третьей модели рассматривался случай плотности вещества выше критической. В этой ситуации пространство должно иметь положительную кривизну, а Вселенная периодически расширяться и сжиматься.

Концепция А. Фридмана некоторое время не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. физик Э. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» в спектрах удаленных галактик. «Красное смещение» означает понижение частот электромагнитного излучения при удалении источника света от наблюдателя. Т. е. если источник света удаляется от нас, то воспринимаемая частота излучений уменьшается, а длины волн увеличиваются, линии видимого спектра смещаются в сторону более длинных красных волн. Оказалось, что «красное смещение» пропорционально расстоянию до источника света. Исследования Э. Хаббла подтвердили, что удаленные от нас галактики разбегаются, т. е. Вселенная находится в состоянии расширения, а значит, нестационарна. Другим важным экспериментальным свидетельством в пользу гипотезы расширяющейся Вселенной стало открытие реликтового излучения – слабого радиоизлучения, свойства которого являются в точности такими, какими они должны были быть на этапе горячей, взрывной Вселенной.

В 1927 г. бельгийский ученый Ж. Леметр предложил понятие сингулярности как исходное состояние Вселенной. Ж. Леметр предположил, что первоначальный радиус Вселенной равнялся 10-12см, а ее плотность– 1096г/см3, т. е. в начальном состоянии Вселенная должна представлять собой микрообьект, по размерам близкий к электрону. В 1965 г. С. Хокинг математически обосновал необходимость состояния сингулярности в любой модели расширяющейся Вселенной.

Представление о развитии Вселенной привело к постановке проблемы начала эволюции Вселенной и ее конца. Вселенная развивается из исходного сингулярного состояния, радиус которого бесконечно мал, а плотность материи бесконечно велика, проходит различные этапы своего развития, а затем умирает. Состояние сингулярности можно трактовать как обрыв времени в прошлом. По-видимому, такой обрыв времени следует предположить и в будущем. В моделях пульсирующей Вселенной та точка, в которой расширение сменится сжатием, рассматривается как обрыв времени в будущем. Момент «начала» времени называется Большим Взрывом. Момент «конца» времени был назван Ф. Типлером Великим Стоком.

Если есть рождение и смерть, то можно говорить о возрасте Вселенной. Ученые рассчитали, что если бы скорость расширения была постоянной на протяжении всего существования Вселенной, то можно было бы говорить о возрасте в 18 млрд лет. Однако современная космология утверждает, что расширение Вселенной постепенно замедляется. Поэтому время, прошедшее с момента Большого Взрыва, может составить 12 млрд лет. Если же предположить существование космических сил отталкивания – такое допущение делается в инфляционных моделях, – то возраст Вселенной будет значительно больше. Современные космологи оценивают возраст Вселенной в 12–20 млрд лет.

В 40-е гг. XX в. наступил новый этап развития космологии: для объяснения происхождения Вселенной американским физиком Дж. Гамов^хм б^1ла предложена гипотеза Большого Взрыва. Согласно этой гипотезе, Вселенная возникла в результате взрыва из первоначального состояния сингулярности. Дальнейшая эволюция происходила поэтапно и сопровождалась, с одной стороны, дифференциацией, а с другой – усложнением структур. Этапы эволюции Вселенной называются эрами.

Адронная эра: длительность 10-7с, температура Вселенной составляет 1032К. Главными действующими лицами являются элементарные частицы, между которыми осуществляется сильное взаимодействие. Вселенная представляет собой разогретую плазму.

Лептонная эра: длительность 10 с, температура Вселенной 1015К. Главные действующие лица – лептоны (электроны, позитроны и др.).

Эра излучения:: длительность 1 млн лет, температура Вселенной 10 000 К. В это время во Вселенной преобладало излучение, а вещество было ионизированным.

Эра вещества:: длится и сейчас. Вселенная остывает, становится нейтральной и темной, образуется вещество. В начале этой эры возникают первые протозвезды и протогалактики. Излучение перестает взаимодействовать с веществом и начинает свободно перемещаться по Вселенной. Именно эти фотоны и нейтрино, остывшие до 3 К, наблюдаются сейчас в виде реликтового излучения.

Для моделирования первых мгновений существования Вселенной, прояснения причин Большого Взрыва и обьяснения сингулярности физиком А. Гутом была предложена инфляционная гипотеза, или модель инфляционной Вселенной. На данном этапе развития науки инфляционная концепция не может получить прямого эмпирического подтверждения, однако она предсказывает новые факты, которые в принципе могут быть проверены. Инфляционная теория описывает эволюцию Вселенной начиная с 10-45с после начала расширения. Модель раздувающейся (инфляционной) Вселенной не противоречит гипотезе Большого Взрыва, включая ее в качестве своего частного случая. Различие между концепцией Большого Взрыва и концепцией инфляционной Вселенной касается только первых мгновений существования мира– до 10-30с, принципиальных мировоззренческих расхождений между этими гипотезами нет.

Первоначальное состояние Вселенной – вакуум, особая форма материи, характеризующаяся высокой активностью. Вакуум как бы «кипит», в нем постоянно рождаются и уничтожаются виртуальные частицы. Возникновение частиц из вакуума описывается понятием флуктуации. Вакуум может находиться в состояниях, характеризующихся разными давлениями и энергиями. Если вакуум возбужден, то в процессе порождения и уничтожения виртуальных частиц возникает огромная сила космического отталкивания, которая и приводит к раздуванию «пузырей» – зародышей вселенных. Исходное состояние ложного вакуума можно сравнить с кипением воды в котле. Каждый из «пузырей» – домен, отдельная Вселенная, характеризующаяся собственными значениями фундаментальных физических констант. Считается, что наша Вселенная – один из «пузырей», возникших из вакуумной пены.Раздувание, или быстрое расширение, было названо инфляцией.

После стадии инфляции и начинается эволюция горячей Вселенной, описываемая моделью Большого Взрыва. Первый этап эволюции Вселенной был назван эрой Великого объединения.

Через 10-12с после Большого Взрыва температура Вселенной составляла около 1015К. В это время начинается образование известных нам частиц и античастиц. Однако в силу того что температура очень высока, свойства этих частиц сильно отличались от тех, которые наблюдаются сейчас. При падении температуры ниже 1015К возникают современные частицы, которые теперь становятся вполне различимыми.

При температуре 1013К кварки начинают объединяться в группы и образуются адроны – протоны и нейтроны. На этом этапе единая суперсила распадается на гравитационное, сильное и электрослабое взаимодействия. В конце первой секунды после Большого Взрыва температура Вселенной составляет 1010К.

В начале следующего этапа, длительность которого от 1 с до 1 млн лет, происходит разделение электрослабого взаимодействия на электромагнитное и слабое. Через минуту температура Вселенной падает до 108К, а еще через несколько минут складываются условия, при которых стали возможны ядерные реакции синтеза сложных элементов. В это время материя представляет собой плазму, на 10 % состоящую из ядер гелия и на 90 % – из ядер водорода. В момент, когда возникли атомы водорода и гелия, космическое вещество стало «прозрачным», проницаемым для фотонов, которые начинают излучаться в пространство. Сейчас мы можем наблюдать остаточные явления этого процесса в виде реликтового излучения. Из атомов водорода и гелия образовался газ, и сложились условия для формирования других химических элементов – бериллия и лития.

Через 1 млн лет после начала расширения Вселенной наступил этап образования звезд и галактик. В недрах звезд в результате термоядерных реакций стали синтезироваться тяжелые элементы, которые в результате взрывов звезд разбрасывались по Вселенной и становились строительным материалом для других космических объектов. Дальнейшая эволюция Вселенной пошла в направлении создания все более сложных структур, что в свое время привело к возникновению жизни и разума. Таким образом, микроэволюция выступила предпосылкой макроэволюции, а космоге-нез получил продолжение в гео– и химогенезе.

Несмотря на то что гипотезы Большого Взрыва и инфляционной Вселенной являются общепринятыми в научной среде, они порождают серьезные теоретические проблемы и подвергаются критике. Так, например, американский ученый К. Болдинг считает, что проблемы возникают уже на уровне общепринятых постулатов, лежащих в основе космологического моделирования, и нет никаких оснований заранее отвергать альтернативные подходы к пониманию Вселенной.

Самые большие проблемы современной космологии связаны с описанием ненаблюдаемого и труднообъяснимого состояния сингулярности, которое даже иногда называют аномальным фактом. Введение состояния сингулярности требуется математическими расчетами, но при этом само не поддается математическому описанию и представляет серьезную концептуальную проблему. Некоторые ученые вообще заявляют, что физическая теория, предсказывающая сингулярность, является несостоятельной, поскольку проблема сингулярности оставляет открытым фундаментальный вопрос космологии – о начальных параметрах Вселенной. Проблема сингулярности имеет важное мировоззренческое значение, поскольку разрушает представление о вечном и бесконечном мире и подталкивает к выработке новой картины мира.

Вторая проблема современной космологии связана с принципом экстраполяции на всю Вселенную законов, открытых в земных условиях. Возникает серьезный вопрос: правомочна ли такая экстраполяция? Причем речь идет не только о переносе «земных^> законов на „неземную“ область, но и об экстраполяции законов и свойств наблюдаемой Вселенной на принципиально ненаблюдаемую. Нет никаких доказательств того, что физические законы, открытые на Земле, действуют во всей Вселенной и на всех этапах ее эволюции. Как считают математики С. Хокинг и Г. Эллис, предположение о том, что законы физики, открытые и изученные в лаборатории, будут справедливы в других точках пространственно-временного континуума, безусловно, является очень смелым.

Трудности, с которыми сталкивается современная научная космология, используются как аргумент в пользу существования высшего разума, который и создает Вселенную. В этом случае научная картина мира подменяется теологической. В такого рода космологических концепциях состояния сингулярности и ложного вакуума рассматриваются как то самое «ничто», о котором говорится в религиозных текстах. Из этого «ничто» божественная сила творит мир. Точная «подогнанность» фундаментальных физических параметров нашей Вселенной, приведшая в конце концов к возникновению жизни и разума, также переинтерпретируется в телеологическом и теологическом духе и рассматривается как свидетельство высшего замысла, согласно которому и происходит эволюция мира (7.3).

Религиозные и мистические версии происхождения и развития Вселенной, маскирующиеся под научные объяснения, представляют собой различные варианты квазинаучного знания (1.1), которое на очередной волне ремифоло-гизации стремится завоевать прочные позиции в культуре. Следует все же сказать, что, несмотря на все трудности нынешних космологических моделей, наиболее приемлемым по-прежнему остается поиск естественных причин возникновения и эволюции Вселенной без апелляции к сверхъестественным силам и сущностям.

Для описания будущего Вселенной предлагаются различные космологические сценарии. Все эти гипотезы можно разделить на две группы: модели «закрытой» и модели «открытой» Вселенной. Если кривизна пространства отрицательна или равна нулю, то задается модель открытой Вселенной, если кривизна пространства положительна, то задается модель «закрытой», или «замкнутой», Вселенной.

«Закрытая» модель предполагает, что Вселенная одновременно конечна и неограниченна, т. е. двигаясь по ней, нельзя достичь границы. Однако свет, пущенный наблюдателем из какого-то источника, вернется к нему с противоположной стороны. В гипотезе замкнутой Вселенной предполагается, что мир проходит множество эволюционных циклов. Каждый цикл представляет собой сначала расширение, а затем сжатие Вселенной и длится примерно 100 млрд лет. При переходе в новый цикл меняются фундаментальные характеристики Вселенной, связанные с основными физическими константами. Что касается нынешнего состояния Вселенной, то в рамках данной гипотезы предполагается, что примерно через 30 млрд лет она начнет сжиматься, а еще через 50 млрд лет вернется в сингулярное состояние, из которого «родится» вновь.

«Открытая» модель рассматривает Вселенную как бесконечную. В моделях открытой Вселенной предполагается, что через 1014лет звезды остынут, поскольку исчезнет весь материал для термоядерных реакций. Через 1015лет звезды начнут покидать свои галактики, а планеты отрываться от звезд и улетать в космическое пространство. За время примерно в 1017лет все звезды окончательно потеряют свои планеты, а центральные части галактик коллапсируют. Оставшееся вещество благодаря гравитационным силам начнет собираться в ядра с огромной плотностью, т. е. галактики превратятся в сверхмассивные черные дыры. Через 1032лет Вселенная будет состоять из черных дыр и разреженного электронно-позитронного газа. Через 1096лет черные дыры испарятся. Через 10100лет Вселенная превратится в элек-тронно-позитронную плазму очень малой плотности.

Такой сценарий предполагается в случае нестабильности протона. Если же протон стабилен, то высказывается предположение, что через 1065лет все вещество превратится в жидкость, а звезды, ставшие к тому времени черными карликами, превратятся в жидкие капли. Через 101500лет все жидкие капли станут железными. Через огромное количество лет, которое выражается невероятными цифрами, и эти жидкие железные капли превратятся в черные дыры и постепенно испарятся. Вселенная, как и в предыдущей модели, перейдет в состояние электронно-позитронной плазмы.

В данный момент наша Вселенная находится в состоянии расширения, это экспериментально подтверждено открытием красного смещения. Считается, что если средняя плотность вещества во Вселенной окажется достаточно высокой – выше критической плотности, которая определяется величиной в 10-29r/см3, – то расширение со временем сменится сжатием. Если средняя плотность вещества окажется меньше критической, то Вселенная будет продолжать свое расширение. На данный момент средняя плотность вещества во Вселенной определяется в 3 ? 10-31г/см3, т. е. ниже критической. Это означает, что наша Вселенная будет неограниченно долго расширяться. Однако пока невозможно точно оценить плотность распределения вещества в силу существования так называемой скрытой массы, темной материи. Такая невидимая материя проявляется только по своему гравитационному взаимодействию. Именно поэтому ученые пока не дают окончательного ответа на вопрос: является наша Вселенная открытой или закрытой? Большинство придерживается модели открытой Вселенной.

Следует сказать, что не все исследователи соглашаются с идеей умирающей Вселенной. Так, создатель синергетики И. Пригожин утверждает: «стандартная модель предсказывает, что, в конце концов, наша Вселенная обречена на смерть либо в результате непрерывного расширения (тепловая смерть), либо в результате последующего сжатия („страшный треск“). Для Вселенной, родившейся под знаком неустойчивости из вакуума Минковского, это уже не так. Ничто не мешает нам предположить возможность повторных неустойчивостей». Вселенная, появившись из вакуума, в результате расширения вновь возвращается в состояние вакуума, однако ничто не исключает возможности повторных флуктуаций, считает И. Пригожин.