Возникновение вселенной. 2

     Человек с давних пор интересовался устройством Вселенной. Звезды притягивали  к себе наших предков, заставляли смотреть на них в удивлением и трепетом. Физика добилась больших успехов в изучении макроскопических и микроскопических свойств природы, однако понимание и объяснение свойств Вселенной в целом происходило не так уверенно. Извечные вопросы, которые всегда волновали человечество, во многом  не разрешены до сих пор. Тем не менее, к настоящему времени сложились определенные научные представления о происхождении  и эволюции Вселенной. Одним из основных затруднений при изучении астрономических и космологических явлений и объектов является то, что над ними нельзя провести контрольных экспериментов. Можно наблюдать  лишь естественный ход событий.

     Остановимся на физических основаниях космологии и астрофизики. Предметом космологии является изучение строения, происхождения и эволюции  Вселенной как целого. Поэтому космология связана с общей теорией относительности  (ОТО), поскольку во Вселенной приходится иметь дело с огромными расстояниями, скоростями и огромными массами.

     Космологическая модель Эйнштейна – Фридмана

     Первая современная космологическая теория была предложена Эйнштейном в 1917г. в качестве следствия его формулировки ОТО. Эйнштейн показал, что ОТО однозначно объясняет возможность существования статической Вселенной, которая не изменяется во временем . Как мы сейчас понимаем, этого не может быть, но в то время казалось, что это важный успех ОТО. Этот парадокс,  по-видимому, был  связан с тем, что еще из представлений древних ученых утвердилось мнение о незыблемости. Стационарности Вселенной, и модель Эйнштейна как будто подтвердила это. Однако уже в 1922г. Фридман показал, что из самих уравнений общей теории относительности следует нестационарность, т.е. развитие Вселенной. Обосновывая в 1917г. ОТО, Эйнштейн ввел понятие космологического члена (постоянной),  для обоснования стационарности Вселенной. Этот коэффициент позволил его уравнениям дать желаемый результат. Фридман утверждал, что искривленное пространство не должно быть стационарным, оно должно или расширяться, или сжиматься. Эйнштейн вынужден был публично согласиться с выводами Фридмана.

     Через какое-то время теория расширяющейся Вселенной была подтверждена экспериментально. Из оптических наблюдений звезд было установлено, что кроме нашей  Галактики, звездного скопления в виде Млечного пути, существует огромное количество других Галактик. С помощью эффекта Доплера экспериментально наблюдали и измеряли радиальные движения (от нас или к нам) отдельных звезд, а затем и галактик. Было установлено, что если звезда движется к нам, то спектральные линии смещаются к фиолетовому концу спектра, если от нас – то к красному.

      При анализе изучения далеких галактик получили удивительный результат:  у всех галактик наблюдали красное смещение! Поэтому можно считать, что они удаляются от нас. Причем величина этого красного смещения и, следовательно, скорость разбегания галактик – больше для более удаленных галактик (до сих пор причина этого не выяснена). Американский астроном Э.Хаббл установил в 1929г. закон:

V=Hr,

где V – лучевая скорость, r – расстояние до объекта, Н – постоянная Хаббла, равная ~ (3-5)10^-18c^-1 и названная так в его честь. Этот закон экспериментально подтвердил расширение Вселенной (t~1/H), который оценивается в 10-20 млрд. лет. По данным радиоактивного распада некоторых веществ возраст Земли определяется в 5 млрд. лет.

      Если все галактики удаляются от нас, то возникает вопрос: не занимаем ли мы особого положения во Вселенной? Простой физический опыт не дает оснований полагать, что это так. Предположим, что мы надуваем воздушный шарик, не поверхности которого равномерно нанесены пятнышки. По мере того как шарик будет раздуваться, наблюдателю, находящемуся на одном из пятнышек, будет казаться, все другие пятнышки удаляются от него. Более того, ему будет казаться, что более далекие пятнышки удаляются значительно быстрее. Чем те, которые расположены близко. Такие же результаты получаются, естественно, при наблюдении с любого другого пятнышка. Таким образом, при однородном расширении будут увеличиваться все расстояния между пятнышками. Поэтому измерение красного смещения обычно трактуется как очевидное доказательство того, что Вселенная расширяется. Т.к. расширение, по-видимому, происходит равномерно во все стороны, то «центра» Вселенной явно выделить нельзя. Естественно, остается много вопросов:  почему она расширяестя?  Конечна ли она? Как образуются галактики? 

Другие модели происхождения Вселенной

     В историческом аспекте первыми  моделями Вселенной были модели Солнечной системы, в центре которой располагалась неподвижная Земля, неподвижная сфера со звездами и подвижные 5 планет, Солнце и Луна. Затем Аристарх Самосский в 3 в. н.э. предложил гелиоцентрическую систему, возрожденную польским  священником Н. Коперником в 1514г. Сюда же можно отнести и античную систему Птолемея, согласно которой за последней сферой располагались ад и рай. «Модернизацией этой» орбиты занимались Кеплер и Галилей. Все это продолжалось до появления законов Ньютона в небесной механике в 18в. В это время возникли представления о бесконечной Вселенной. В 19в. они развивались в представлении о бесконечной в пространстве, но неизменной во времени Вселенной. Это была стационарная космологическая модель Вселенной Эйнштейна.

      Предполагалось, что пространство – абсолютно, однородно и изотропно, а время – абсолютно и однородно,  т.е. использовались «строительные  материалы» классической механики и евклидовой геометрии. Это устраивало теологический подход к пониманию мира: система мира без начала и конца, как в пространственном, так и во временном понимании. Бог создал  - и всё! С материалистической точки зрения можно предположить, что Бог в теологии – это и есть пространство и время в физике. Получалось, что мир в целом не эволюционирует. Пространство и время представлялись как жесткий каркас (они же абсолютные!) и не участвовали в процессах, т.е. рассматривались как параметры. Заметим при этом, что если неизменность пространства и времени вызывала дискомфорт, то бесконечность мира частично это неудобство сглаживала. Можно даже сказать, что стационарная модель мира выполняла как бы роль стыковочного узла между культурами Запада (рационализм) и Востока (мистицизм).

      Как известно в СТО и ОТО Эйнштейн предположил, что пространство и  время не абсолютны, а относительны и связаны между собой, причем  скорость передачи  взаимодействия конечна и равна скорости света  с. Было показано, что геометрия пространства и времени не является евклидовой и определяется наличием материи в данной области Пространства и время приобрели динамические свойства, им приписываются кривизна, которая влияет на характер движения тел. Пространства и время уже не «равнодушная » сцена событий, а активные участники, влияющие на события, регулирующие их. 

Модель Большого Взрыва

     В настоящее время существует много космологических концепций, и нельзя, естественно, сказать, что уже установлена истина в последней инстанции, учитывая еще указанную сложность астрофизических и космологических экспериментов. Однако одна из уже современных таких теорий – теория большого Взрыва смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с космологией.

     В основе этой теории лежит предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15-20 млрд. лет назад, когда все вещество и энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке с плотностью свыше 10²⁵г/см³и температурой свыше 10¹⁶К. Такое представление соответствует модели горячей Вселенной. Модель Большого Взрыва (БВ) была предложена нашим соотечественником Г. Гамовым.