Содержание

Введение

Происхождение Вселенной

Модель расширяющейся  Вселенной

  Красное смещение

  Большой Взрыв

  Образование Вселенной

Заключение

Список  использованной литературы

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. Вейнбер.

    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.

  Происхождение Вселенной 

  Во  все времена люди хотели знать, откуда и каким образом произошел  мир. Когда в культуре господствовали мифологические представления, происхождение мира объяснялось, как, скажем, в «Ведах» распадом первочеловека Пуруши. То, что это была общая мифологическая схема, подтверждается и русскими апокрифами, например, «Голубиной книгой». Победа христианства утвердила представления о сотворении Богом мира из ничего.

  С появлением науки в ее современном  понимании на смену мифологическим и религиозным приходят научные  представления о происхождении  Вселенной. Следует разделять три  близких термина: бытие, универсум и Вселенная. Первый является философским и обозначает все существующее, бытующее. Второй употребляется и в философии, и в науке, не имея специфической философской нагрузки (в плане противопоставления бытия и сознания), и обозначает все как таковое.

  Значение  термина Вселенная более узкое  и приобрело специфически научное  звучание. Вселенная — место вселения человека, доступное эмпирическому  наблюдению Постепенное сужение  научного значения термина Вселенная  вполне понятно, так как естествознание, в отличие от философии, имеет дело только с тем, что эмпирически проверяемо современными научными методами.

  Вселенную в целом изучает наука, называемая космологией, т. е. наукой о космосе. Слово это тоже не случайно. Хотя сейчас космосом называют все находящееся за пределами атмосферы Земли, не так было в Древней Греции. Космос тогда принимался как «порядок», «гармония», в противоположность «хаосу» — «беспорядку». Таким образом, космология, в основе своей, как и подобает науке, открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.

  Это изучение зиждется на нескольких предпосылках. Во-первых, формулируемые физикой  универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной. Во-вторых, производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространяемыми на всю Вселенную. И, в-третьих, истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, т. е. человека (так называемый антропный принцип).

  Выводы  космологии называются моделями происхождения  и развития Вселенной. Почему моделями? Дело в том, что одним из основных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом. Только если можно провести бесконечное, в принципе, количество экспериментов и все они приводят к одному результату, на основе этих экспериментов делают заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. Лишь в этом случае результат считается вполне достоверным с научной точки зрения.

  Ко  Вселенной это методологическое правило остается неприменимым. Наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Это противоречие, которое требует считать все заключения о происхождении и развитии Вселенной не законами, а лишь моделями, т. е. возможными вариантами объяснения. Строго говоря, все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями, но модели Вселенной как бы в большей степени модели, чем многие иные научные утверждения. 

  Модель  расширяющейся Вселенной

  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 предположения:

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 инерционных 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 петроградский физик и математик Александр Александрович 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», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.

  Так вот, 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, т. е. о расширении Метагалактики — 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. 

Решающий  шаг в изучении галактик был сделан в 1912 г., когда они еще считались  спиральными туманностями внутри нашей собственной звездной системы. Американский астроном Весто Мелвин Слайфер (род. в 1875 г.) определил лучевую скорость объекта, который назывался тогда туманностью Андромеды, и обнаружил, что эта туманность приближается к нам (линии ее спектра показывали фиолетовое смещение) со скоростью 200 км/сек. 
Сам факт был интересен, но не выглядел необычным. Лучевая скорость больше 100 км/сек была велика, но не чрезмерна (Собственно говоря, теперь мы знаем, что часть этой скорости нельзя отнести за счет истинного приближения Андромеды. Вращение нашей Галактики в настоящее время несет солнечную систему в сторону Андромеды, а через несколько миллионов лет оно будет уносить нас от нее. Если учесть это вращение и определять движение галактики Андромеды по отношению к центру нашей Галактики, то окажется, что она все-таки приближается к нам, но со скоростью примерно 50 км/сек. 
К 1917 г. ситуация стала несколько более загадочной. За это время Слайфер измерил лучевые скорости 15 спиральных туманностей. Согласно теории вероятности, можно было бы предположить, что половина из них будет приближаться к нам, а половина — удаляться. Вместо этого приближались только 2, а удалялись 13. Правда, ничего невозможного в этом, хотя и несколько неожиданном, факте не было. Если подбросить 15 монет, то можно ожидать, что орел и решка выпадут примерно в равном количестве, но случайность — это случайность, и вполне возможно, что выпадут 2 решки и 13 орлов. 
Гораздо более непонятной была огромная величина лучевых скоростей. Те туманности, которые удалялись от нас, удалялись со средней скоростью 640 км/сек. А если с 200 км/сек еще можно было смириться, то принять значение скорости 640 км/сек было крайне трудно. Эта цифра была гораздо больше лучевых скоростей обычных звезд Галактики.

Чем у  большего количества спиральных туманностей  измерял Слайфер лучевую скорость, тем более странной становилась  ситуация. Каждое новое измерение  говорило об удалении, и невероятные  скорости этого удаления все возрастали. 
Когда в середине 20-х годов Хаббл доказал, что объекты, наблюдаемые Слайфером, — на самом деле галактики, находящиеся далеко за пределами нашего Млечного Пути, это несколько упростило проблему. Если бы один-единственный класс объектов, составляющих нашу Галактику, показывал столь большие лучевые скорости удаления, тогда как все остальные объекты имели малые скорости и нередко приближались к нам, это выглядело бы совершенной бессмыслицей. Но если эти объекты с необычными скоростями, кроме того, находились и на необычных расстояниях — это облегчало положение. Если у одного и того же объекта есть два необычных свойства, они могут быть связаны между собой и одно может содействовать объяснению другого. 
Теперь изучением лучевых скоростей галактик занялся еще один американский астроном — Милтон Ла-Салль Хыомасон (род в 1891 г.). Он начал делать фотографии с выдержкой в несколько суток, и ему удавалось получить спектры все более и более слабых галактик, и среди этих слабых галактик он обнаружил скорости удаления, по сравнению с которыми первые полученные результаты показались чрезвычайно скромными. В 1928 г. он измерил лучевую скорость галактики NGC7619 и по лучил скорость 3800 км/сек. А к 1940 г. он уже обнаружил скорости в 40 000 км/сек, т.е. больше 1/8 скорости света,— и это неизменно были скорости удаления.

Эти цифры  были столь чудовищны, что астрономы  усомнились в природе красного смещения (она и теперь еще ставится под  сомнение). Должно ли красное смещение обязательно означать, что источник света удаляется? Или существует какое-то другое объяснение, которое позволит нам не признавать эти огромные скорости?

Возможно, например, что свет дальних галактик попросту становится краснее в результате своего неимоверно долгого путешествия  через разреженный газ межгалактического  пространства. Разумеется, это возможно. Но такое покраснение света — совсем не то же самое, что красное смещение. Постепенное рассеяние лишит спектр коротких волн, и цвет туманности станет в целом более красным, но спектральные линии от этого не сместятся. А термин «красное смещение» подразумевает именно смещение спектральных линий, а не цвет вообще.

Иногда  выдвигается предположение, что  свет на своем бесконечном, ни с чем  не сравнимом пути от галактики к  галактике каким-то образом теряет энергию. Если же свет теряет энергию, эта потеря должна выражаться в удлинении волн, и при этом можно ожидать настоящего красного смещения. А нам кажется, будто галактики удаляются от нас с невероятными скоростями, потому лишь, что мы изучаем свет, который можно назвать «усталым светом». 
Однако это объяснение ничего не объясняет, так как до сих пор еще никто не указал, каким образом могла бы произойти такая потеря энергии. Не существует ни каких известных причин, чтобы свет вдруг стал терять энергию только потому, что он долгое время движется через пустоту. А если бы он действительно терял таким образом энергию, никто не предложил разумного объяснения, что случается с этой энергией. Кроме того, если бы свет «уставал» на длинных расстояниях, он должен был бы слегка уставать и на коротких. Судя по размерам галактического красного смещения, красное смещение должно было бы сказаться и на объектах, расположенных к нам ближе, чем галактики. Однако никто его не обнаружил.

В общем говоря, до сих пор для красною смещения существует только одно объяснение галактики удаляются от нас. Никакое другое осмысленное объяснение не может охватить все факты. И до тех пор, пока другое объяснение не будет найдено, астрономам остается только считать стремительное удаление галактик признанным фактом.

Хаббл, работавший параллельно с Хьюмасоном, естественно, заинтересовался удалением галактик. Он педантично оценивал расстояния до галактик всеми возможными способами. Для ближайших галактик он использовал цефеиды. Для тех, в которых из-за дальности расстояния обнаружить цефеиды было невозможно, он использовал любые звезды, которые мог различить, исходя при этом из предпосылки, что это сверхгиганты, такие же яркие, как S Золотой Рыбы. Если галактики были так далеки, что не удавалось различить ни одной звезды, он исходил из предположения, что в среднем общая светимость галактик примерно равна и что, следовательно, чем слабее галактика, тем она дальше. Естественно, при этом учитывался закон обратных квадратов. Если одна галактика была вчетверо слабее другой, значит, она находилась вдвое дальше. Если же она была слабее в девять раз, то находилась в три раза дальше, и т. д.

Произведя все эти оценки расстояний, Хаббл  затем воспользовался определением скоростей, проведенным Слайфером и Хьюмасоном, и доказал, что в среднем скорость удаления галактик возрастает пропорционально расстоянию, на котором эти галактики от нас находятся. Если одна галактика вдвое дальше от нас, чем другая, то она и удаляется вдвое быстрее. Если она в три раза дальше, то и скорость ее удаления втрое больше. Это так называемый закон Хаббла.

  Составной частью модели расширяющейся Вселенной  является представление о Большом  Взрыве, происшедшем где-то примерно 12 — 18 млрд. лет назад. «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» (Вейнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной.- М., 1981. - С. 30).

  Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 году реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной.

    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 сингулярность.

    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 Вселенной.

    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 прошлом.

    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 горячей. 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.

  Возникает интересный вопрос: из чего же образовалась Вселенная? Чем было то, из чего она  возникла. В Библии утверждается, что  Бог создал все из ничего. Зная, что в классической науке сформулированы законы сохранения материи и энергии, религиозные философы спорили о том, что значит библейское «ничего», и некоторые в угоду науке полагали, что под ничем имеется в виду первоначальный материальный хаос, упорядоченный Богом.

  Как это ни удивительно, современная  наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что все могло  создаться из ничего. «Ничего» в  научной терминологии называется вакуумом. Вакуум, который физика XIX века считала пустотой, по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях «рождать» вещественные частицы.

  Современная квантовая механика допускает (это  не противоречит теории), что вакуум может приходить в «возбужденное  состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) — вещество.

  Рождение  Вселенной «из ничего» означает с современной научной точки  зрения ее самопроизвольное возникновение  из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация. Если число фотонов равно нулю, то напряженность поля не имеет определенного значения (по «принципу неопределенности» Гейзенберга): поле постоянно испытывает флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряженности равно нулю.

  Флуктуация  представляет собой появление виртуальных  частиц, которые непрерывно рождаются  и сразу же уничтожаются, но так  же участвуют во взаимодействиях, как  и реальные частицы. Благодаря флуктуациям, вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.

  Итак, Вселенная могла образоваться из «ничего», т. е. из «возбужденного вакуума». Такая гипотеза, конечно, не является решающим подтверждением существования  Бога. Ведь все это могло произойти  в соответствии с законами физики естественным путем без вмешательства извне каких-либо идеальных сущностей. И в этом случае научные гипотезы не подтверждают и не опровергают религиозные догмы, которые лежат по ту сторону эмпирически подтверждаемого и опровергаемого естествознания.

  На  этом удивительное в современной  физике не кончается. Излогая суть теории относительности в одной фразе, Эйнштейн сказал: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время». Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.

  Отметим, что теория относительности соответствует двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства-времени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна положительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относительности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной.

  Досужий ум неизбежно задается вопросами: что  же было тогда, когда не было ничего, и что находится за пределами расширения. Первый вопрос, очевидно, противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Астроном может сказать, что как ученый он не вправе отвечать на такие вопросы. Но поскольку они все же возникают, формулируются и возможные обоснования ответов, которые являются не столько научными, сколько натурфилософскими.

  Так, проводится различие между терминами  «бесконечный» и «безграничный». Примером бесконечности, которая не безгранична, служит поверхность Земли: мы можем идти по ней бесконечно долго, но тем не менее она ограничена атмосферой сверху и земной корой снизу. Вселенная также может быть бесконечной, но ограниченной. С другой стороны, известна точка зрения, в соответствии с которой в материальном мире не может быть ничего бесконечного, потому что он развивается в виде конечных систем с петлями обратной связи, которыми эти системы создаются в процессе преобразования среды.