Философия Вселенной

     Релятивистская  модель Вселенной.

     Новая модель Вселенной была создана в 1917 году А. Эйнштейном. Ее основу составила релятивистская теория тяготения. 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 Эйнштейна, определяются распределением в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но при этом замкнута в пространстве. Согласно этой модели пространство однородно и изотропно, т.е. во всех направлениях имеет одинаковые свойства; материя распределена в нем равномерно; время бесконечно, а его течение не влияет на свойства Вселенной. На основании своих расчетов Эйнштейн сделал вывод, что мировое пространство представляет собой четырехмерную сферу.

     Объем такой Вселенной может быть выражен, хотя и очень большим, но конечным числом кубометров. Но конечная по объему Вселенная в то же время безгранична, как поверхность любой сферы. Вселенная Эйнштейна содержит ограниченное число звезд и звездных систем, и поэтому к ней неприменимы фотометрический и гравитационный парадоксы. В то же время призрак тепловой смерти тяготеет и над Вселенной Эйнштейна. Вечность ей не присуща.

     Таким образом, несмотря на новизну и даже революционность идей, Эйнштейн в  своей космологической теории ориентировался на привычную классическую мировоззренческую установку на статичность мира.  
 
 
 
 
 
 
 

     Модель  расширяющейся Вселенной.

     В 1922 г., советский геофизик и математик  А.А. Фридман на основании строгих  расчетов установил, что Вселенная никак не может быть стационарной. Фридман сделал это открытие, опираясь на сформулированный им космологический принцип, строящийся на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной.

     Фридман доказал, что уравнения Эйнштейна  имеют решения, согласно которым  Вселенная может расширяться  либо сжиматься. При этом речь шла о расширении самого пространства, т.е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.

     Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий. Это было истолковано как следствие эффекта Доплера – изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. Красное смещение было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием (примерно 55 км/с на каждый миллион парсек).

     В результате своих наблюдений Хаббл  обосновал представление, согласно которому Вселенная – это множество  галактик, разделенных между собой  огромными расстояниями.

     Фридман предложил три модели Вселенной.

     1. Вселенная расширяется медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого Вселенная начинала сжиматься. В этой модели пространство искривляется, образуя сферу.

     2. Вселенная расширяется бесконечно, пространство искривлено и бесконечно.

     3. пространство плоское и бесконечное.

     По  какому из этих вариантов идет эволюция Вселенной, зависит от отношения  гравитационной энергии к кинетической энергии разлета вещества.

     Если  кинетическая энергия разлета вещества преобладает над гравитационной энергией, препятствующей разлету, то силы тяготения не остановят разбегания галактик, и расширение Вселенной будет носить необратимый характер. Этот вариант динамичной модели Вселенной называют «открытой Вселенной».

     Если  же преобладает гравитационное взаимодействие, то темп расширения со временем замедлится до полной остановки, после чего начнется сжатие вещества вплоть до возврата Вселенной  в исходное состояние сингулярности. Такой вариант модели назван осциллирующей, или «закрытой Вселенной».

В случае, когда  силы гравитации равны энергии разлета  вещества, расширение не прекратится, но его скорость со временем будет  стремиться к нулю.

Из принятия теории относительности вытекало в  качестве следствия, 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". [7]

     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-нибудь источника колебаний, воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длинна волны соответственно увеличивается. При излучении происходит "покраснение", т.е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн. [8]

     Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем чем дальше находится 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 нестационарность области полей 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.

      В 1948 году Гамов выдвинул предположение, что Вселенная образовалась в  результате гигантского взрыва, произошедшего  примерно 15 млрд лет тому назад. Тогда  все вещество и вся энергия  Вселенной были сконцентрированы в  одном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был равен нулю, а ее плотность – бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью.

     Но  по принципу неопределенности В. Гейзенберга  вещество невозможно стянуть в одну точку, поэтому считается, что Вселенная в начальном состоянии имела определенную плотность и размеры.

     Долгое  время ничего нельзя было сказать  о причинах Большого взрыва, переходе к расширению Вселенной. Но сегодня  появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы. Они лежат в основе инфляционной модели развития Вселенной. 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Теория  Большого взрыва

       Основная идея концепции Большого взрыва состоит в том, что Вселенная на ранних стадиях возникновения имела неустойчивое вакуумоподобное состояние с большой плотностью энергии, возникшей из квантового излучения, т.е. из ничего. В вакууме отсутствуют фиксируемые частицы, поля и волны, но пока вакуум находится в равновесном состоянии, в нем существуют виртуальные частицы, которые берут у вакуума энергию на короткий промежуток времени, чтобы родиться, быстро вернуть занятую энергию и исчезнуть. Когда же вакуум по какой-то причине в некоторой исходной точке вышел из состояния равновесия, то виртуальные частицы стали схватывать энергию без отдачи и превращаться в реальные. Поэтому в определенной точке пространства образовалось огромное количество последних. Когда же возбужденный вакуум разрушился, высвободилась гигантская энергия излучения, а суперсила сжала частицы в сверхплотную материю. Начинается стремительное расширение Вселенной, возникают время и пространство. [8]

     К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной, но когда инфляция иссякла, Вселенная стала чрезвычайно  «горячей». С этого момента Вселенная  развивается стандартно согласно теории «горячего» Большого взрыва.

     Ранний  этап эволюции Вселенной. Эволюция Вселенной происходило поэтапно, и сопровождалась, с одной стороны, дифференциацией, а с другой – усложнением ее структур. Этапы различаются характеристиками взаимодействия элементарных частиц и называются эрами.

     Адронная эра продолжалась 10^-7 с. На этом этапе температура понизилась до 10¹³ К, появились все четыре фундаментальных взаимодействия, прекратилось свободное существование кварков.

     Лептонная эра, продолжалась 1 с. Температура Вселенной понизилась 10¹⁰ до К. Главными ее элементами были лептоны. В конце этой эры вещество стало прозрачным для нейтрино.

     Эра излучения продолжалась 1 млн лет. За это время температура Вселенной снизилась с 10 млрд К до 3000 К. На протяжении данного этапа происходило соединение протонов и нейтронов. К концу этого этапа Вселенная стала прозрачной для фотонов, так как излучение отделилось от вещества и образовало реликтовое излучение.

     Затем почти 500 тыс. лет не происходило  никаких качественных изменений – шло медленное остывание и расширение Вселенной. Когда она остыла до 3000 к, образовалась однородная Вселенная.

     После Большого взрыва образовавшееся вещество и электромагнитное поле были рассеяны и представляли собой газовопылевое  облако и электромагнитный фон. Спустя 1 млрд лет после образования Вселенной из случайных уплотнений вещества стали появляться галактики и звезды.

     Галактики существуют в виде групп (несколько галактик), скоплений (сотни галактик) и облаков скоплений (тысячи галактик). Одиночные галактики во Вселенной встречаются очень редко. Средние расстояние между галактиками в группах и скоплениях в 10-20 раз больше, чем размеры самых крупных галактик. Гигантские галактики имеют размеры до 18 млн световых лет. Пространство между галактиками заполнено газом, пылью и разного рода излучениями. [7]

     Звезды  рождаются из космического вещества в результате его конденсации  под действием гравитационных, магнитных  и других сил.

     Рождение  звезд в галактике происходит непрерывно. Этот процесс компенсирует также непрерывно происходящую смерть звезд. Источник собственного свечения звезд – термоядерная реакция, превращающая водород в гелий.

     С момента начала этой реакции звезда переходит на главную последовательность, в соответствии с которой будут изменяться с течением времени ее характеристики: светимость, температура, радиус, химический состав и масса. 
 
 
 
 

Теория  суперструн

      Вселенная довольно неоднородна: звезды собраны  в галактики, а галактики в

свою очередь  образуют скопления. С течением времени Вселенная становится все

более клочковатой  по мере того, как гравитационная сила скоплений галактик

притягивает галактики  из соседних областей. В современных  теориях образования

галактик предполагается, что в прошлом Вселенная была гораздо более

однородной, чем сейчас, и что все галактики и скопления галактик выросли из

небольших флуктуаций, существовавших на фоне почти однородного  распределения

вещества.

      Обратимся к космическим струнам - экзотическим невидимым образованиям,

порожденным теориями элементарных частиц. Струны - это нити, оставшиеся от

вещества только что родившейся Вселенной. Они невероятно плотные и подвижные:

перемешаются  со скоростью света и искривляют пространство вокруг себя.

Появившиеся в  первую секунду от начала расширения Вселенной, струны образуют

запутанные клубки, при бесконечном растяжении которых  возникают петли. Эти

петли энергично  колеблются и в процессе колебаний  постепенно рассеивают свою

энергию. Однако такие петли долго не существуют, так что, если даже когда-то во Вселенной их было много, к настоящему времени большинство из них исчезло.

Менее массивные  струны могли бы существовать и до сих пор, но пока они не

обнаружены.

      Природа частиц и их взаимодействие определяются вакуумом. Для физиков вакуум - это  состояние с минимальной энергией, достигаемое при отсутствии каких-либо частиц.  Вначале вакуум обладал неимоверно большой энергией и характеризовался высокой степенью симметрии.

      По  мере того как Вселенная расширялась  и охлаждалась после Большого взрыва,

вакуум проходил через быструю последовательность изменений, называемых