Космологические модели Вселенной

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.

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 микрообъект, 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 вопроса о начале эволюции (рождении) Вселенной и ее конце (смерти). Большинство существующих моделей объясняет только некоторые аспекты рождения Вселенной, и лишь теория «Большого взрыва» Г.А. Гамова смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с этой проблемой

 

 

II.4. Концепция Большого взрыва (модель горячей Вселенной)

 

Гео́ргий Анто́нович Га́мов — советский и американский физик-теоретик, астрофизик и популяризатор науки. В 1933 году покинул СССР, став «невозвращенцем». В 1940 году получил гражданство США. Член-корреспондент АН СССР (с 1932 по 1938 год, восстановлен посмертно в 1990 году). Член Национальной академии наук США (1953).

Гамов известен своими работами по квантовой механике, атомной и ядерной физике, астрофизике, космологии, биологии. Он является автором первой количественной теории альфа-распада, одним из основоположников теории «горячей Вселенной» и одним из пионеров применения ядерной физики к вопросам эволюции звёзд. Он впервые чётко сформулировал проблему  генетического кода. Широкую известность Гамову принесли его научно-популярные произведения, в которых живым и доступным языком рассказывается о современных научных представлениях.

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.

 

II.5  Инфляционная (раздувающаяся) модель развития Вселенной

 

 

С 1981 года началась разработка физической теории раздувающейся (инфляционной) Вселенной. К настоящему времени  физиками предложено несколько вариантов  данной теории.

По одному из них возникновение и развитие Вселенной делится на следующие этапы:

 «Начало Вселенной» 

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.

«Инфляционный период» -  с (секунды) после начала расширения Вселенной, за которые ее размеры увеличились в  раз.

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.

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  с. На этом этапе температура понизилась до  К, появились все четыре фундаментальных взаимодействия, прекратилось свободное существование кварков.

Лептонная эра продолжалась 1 с. Температура Вселенной понизилась 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.

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.

 

II.6. Проблемы современной космологии

 

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 распространения на всю Вселенную законов, открытых в земных условиях. Возникает серьезный вопрос: правомочно ли это? Причем речь идет не только о переносе «земных» законов на «неземную» область, но и о перенесении 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 теологическом духе и рассматривается  как свидетельство высшего замысла, согласно которому и происходит эволюция мира.

 

II.7. Проблема существования и поиска внеземных цивилизаций

 

Эволюция Вселенной привела  к образованию планет, на некоторых из которых могут появиться жизнь и разум. Для этого нужны разнообразные химические элементы, которые могут объединяться в молекулы и сложность которых может нарастать до очень высоких уровней. В основе этих процессов – химические силы, за которыми скрывается одна из фундаментальных сил природы – электромагнитное взаимодействие. Тема существования жизни на других планетах неоднократно обыгрывалась в научно-фантастических произведениях, но современная наука не позволяет дать ни положительного, ни отрицательного ответа на этот вопрос.

Особенно остро вопрос о поиске внеземных цивилизаций  – общества разумных существ, которые  могут возникать и существовать вне Земли – встал во второй половине 20 века в связи с выходом  человека в космос. Стала ясна потенциальная  возможность космических полетов  не только внутри Солнечной системы, но и за ее пределы. На этом основании заговорили не только о полетах человека в космос, но и о возможности посещения нашей планеты представителями других цивилизаций.

В 1960-х гг. появились первые международные программы, ставящие своей целью поиск и контакт  с внеземными цивилизациями – SETI (поиск внеземных цивилизаций) и CETI (связь с внеземными цивилизациями). А в 1982 г. Международный астрономический  союз организовал специальную комиссию по этой проблеме. Основным методом  работы этой комиссии и международных  программ поиск радиосигналов от других цивилизаций, а также отправка собственных сообщений.

Еще одним направлением работы стал поиск следов астроинженерной  деятельности внеземных цивилизаций. Долгое время среди ученых господствовала идея о том, что высокоразвитые цивилизации  должны располагать практически  неограниченными источниками энергии, распоряжаясь полностью не только энергией своего солнца, но и энергией в масштабах  всей своей галактики. Поэтому следы  деятельности таких цивилизаций  должны быть хорошо заметны. Считалось, что они могут перемещать планеты, звезды, взрывать ненужные звезды и  зажигать новые.

Поиск следов пребывания представителей внеземных цивилизаций на Земле  – еще одно направление работы. Предполагалось, что в нашей галактике  должно быть большое число старых цивилизаций, начавших свое развитие за несколько миллиардов лет до появления  жизни на Земле. Поэтому, считалось, что Земля могла неоднократно посещаться представителями этих цивилизаций  в прошлом.

И наконец, ученых не оставляла  надежда на возможный прилет представителей внеземных цивилизаций в наше время.