Современная наука о происхождении и эволюции вселенной

Введение

На всем протяжении своего существования Человек изучает  окружающий его мир. Будучи мыслящим существом, Человек как в отдаленном прошлом, так и сейчас, не мог и  не может ограничиваться тем, что  ему непосредственно дано на уровне его повседневной практической деятельности, и всегда стремился и будет  стремиться выйти за ее пределы.

Характерно то, что познание окружающего мира человеком началось с космогонических размышлений. Именно тогда на заре умственной деятельности и возникла мысль о "начале всех начал". История не знает ни одного народа, который рано или поздно в той или иной форме не задался  этим вопросом и не пытался бы ответить на него. Ответы, конечно, были разными, в зависимости от уровня духовного  развития данного народа. Развитие человеческой мысли, научно-технический  прогресс позволили продвинуться в  разрешении вопроса о возникновении  Вселенной  от мифологического мышления к построению научных теорий. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Донаучное рассмотрение происхождения Вселенной.

Многие выдающиеся мыслители  далеких от нас исторических эпох пытались объяснить происхождение, строение и существование Вселенной. Заслуживают особого уважения их попытки при отсутствии современных  технических средств посредством  только своего ума и простейших  приспособлений осмыслить  сущность Вселенной. Если совершить небольшой  экскурс в прошлое, то обнаружится, что идея эволюционирующей Вселенной, взятой на вооружение современной научной  мыслью, выдвигалась еще древним мыслителем Анаксагором (500-428 до н.э.). Заслуживает внимания и космология Аристотеля (384-332 до н.э.), и труды выдающегося мыслителя Востока  Ибн Сины (Авиценна) (980-1037), пытавшегося логически опровергнуть божественное творение мира, и других, дошедших до нашего времени имен.

Человеческая мысль не стоит на месте. Вместе с изменением  представления о строении Вселенной, менялось и представление о ее происхождении, хотя в условиях существующей сильной идеологической власти религии  это было связано с определенной опасностью. Может этим и объясняется  тот факт, что естествознание новоевропейского времени избегало обсуждения вопроса  о происхождении Вселенной и  сосредоточилось на изучении устройства Ближнего Космоса. Эта научная традиция надолго определила общее направление  и саму методику астрономического, а затем и астрофизического исследований. В результате основы научной космогонии были заложены не естествоиспытателями, а философами.

Первым на этот путь ступил Декарт, который попытался теоретически воспроизвести "происхождение светил, Земли и всего прочего видимого мира как бы из некоторых семян" и дать единое механическое объяснение всей совокупности известных ему  астрономических, физических и биологических  явлений. Однако идеи Декарта были далеки от современной ему науки.

Поэтому историю научной  космогонии справедливее было бы начать не с Декарта, а с Канта, нарисовавшего  картину "механического происхождения  всего мироздания". Именно Канту  принадлежит первая в научно-космогоническая  гипотеза о естественном  механизме  возникновения материального мира. В безграничном пространстве Вселенной, воссозданной творческим воображением Канта, существование бесчисленного  количества других солнечных систем и иных млечных путей столь  же естественно, как и непрерывное  образование новых миров и  гибель старых. Именно с Канта начинается сознательное и практическое соединение принципа всеобщей связи и единства материального мира. Вселенная перестала  быть совокупностью божественных тел, совершенных и вечных. Теперь перед  изумленным человеческим разумом предстала  мировая гармония совершенно иного  рода - естественная гармония систем взаимодействующих  и эволюционирующих астрономических  тел, связанных между собой как  звенья одной цепи природы. Однако необходимо отметить две характерные особенности  дальнейшего развития научной космогонии. Первой из них является то, что после кантовская космогония ограничила себя пределами Солнечной системы и вплоть до середины ХХ века речь шла только о происхождении планет, тогда как звезды и их системы оставались за горизонтом теоретического анализа. Второй особенностью является то, что ограниченность наблюдательных данных, неопределенность доступной астрономической информации, невозможность опытного обоснования космогонических гипотез в конечном счете обусловили превращение научной космогонии в систему абстрактных идей, оторванных не только от остальных отраслей естествознания, но и от родственных разделов астрономии.

 

 

 

2. Теории  ХХ века о происхождении Вселенной.

Следующий этап в развитии космологии относится к ХХ веку, когда советский ученый А.А.Фридман (1888-1925) математически доказал идею саморазвивающейся Вселенной. Работа А.А.Фридмана в корне изменила основоположения  прежнего научного мировоззрения. По его  утверждению космологические начальные  условия образования Вселенной  были сингулярными. Разъясняя характер эволюции Вселенной, расширяющейся  начиная с сингулярного состояния, Фридман особо выделял два  случая:

а) радиус кривизны Вселенной  с течением времени постоянно  возрастает, начиная с нулевого значения;

б) радиус кривизны меняется периодически: Вселенная сжимается  в точку (в ничто, сингулярное  состояние), затем снова из точки, доводит свой радиус до некоторого значения, далее опять, уменьшая радиус своей кривизны, обращается в точку, и т.д.

В чисто математическом смысле сингулярное состояние предстает  как ничто - геометрическая сущность нулевого размера. В физическом же плане  сингулярность предстает как  весьма своеобразное состояние, в котором  плотность вещества и кривизна пространства-времени  бесконечны. Вся сверх горячая, сверх искривленная и сверхплотная космическая материя буквально стянута в точку и может , по образному выражению американского физика Дж. Уилера, "протискиваться сквозь игольное ушко". 

Переходя к оценке современного взгляда на сингулярное начало Вселенной, необходимо обратить внимание на следующие  важные особенности рассматриваемой  проблемы в целом.

Во-первых, понятие начальной  сингулярности имеет достаточно конкретное физическое содержание, которое  по мере развития науки все более  детализируется и уточняется. В этом отношении его следует рассматривать  не как понятийную фиксацию абсолютного  начала "всех вещей и событий", а как начало эволюции того фрагмента  космической материи, который на современном уровне развития естествознания стал объектом научного познания.

Во-вторых, если, по современным  космологическим данным, эволюция Вселенной  началась 15-20 миллиардов лет назад, то это вовсе не значит, что до того Вселенная еще не существовала или же пребывала в состоянии  вечного застоя.

Достижения науки расширяли  возможности в познании окружающего  Человека мира. Предпринимались новые  попытки объяснить с чего же все  началось. Жорж Леметр был первым, кто  поставил вопрос о происхождении  наблюдаемой крупномасштабной структуры  Вселенной.  Им была выдвинута концепция "Большого Взрыва" так называемого "первобытного атома" и последующего превращения его  осколков  в  звезды  и  галактики.  Конечно,   с  высоты современного астрофизического знания данная концепция представляет лишь исторический интерес, но сама идея первоначального взрывоопасного движения космической материи и ее последующего эволюционного развития неотъемлемой частью вошла в современную научную  картину мира.

Принципиально новый этап в развитии современной  эволюционной космологии связан с именем американского  физика Г.А. Гамова (1904-1968), благодаря которому в науку вошло понятие горячей Вселенной. Согласно предложенной им модели "начала" эволюционирующей Вселенной "первоатом" Леметра состоял из сильно сжатых нейтронов, плотность которых достигала чудовищной величины - один кубический сантиметр первичного вещества весил миллиард тонн. В результате взрыва этого "первоатома" по мнению Г.А.Гамова образовался своеобразный космологический котел с температурой порядка треть миллиардов градусов, где и произошел естественный синтез химических элементов. Осколки первичного яйца - отдельные нейтроны затем распались на электроны и протоны, которые, в свою очередь, соединившись с не распавшимися нейтронами, образовали ядра будущих атомов. Все это произошло в первые 30 минут после "Большого Взрыва".

Горячая модель представляла собой конкретную астрофизическую  гипотезу, указывающую пути опытной  проверки своих следствий. Гамов  предсказал существование в настоящее  время остатков  теплового излучения  первичной горячей плазмы , а его  сотрудники Альфер и Герман еще в 1948 г.  довольно точно рассчитали величину температуры этого остаточного  излучения уже современной Вселенной. Однако Гамову и его сотрудникам  не удалось дать удовлетворительное объяснение естественному образованию  и распространенности тяжелых химических элементов во Вселенной, что явилось причиной скептического отношения к его теории со стороны специалистов. Как оказалось, предложенный механизм ядерного синтеза не мог обеспечить возникновение наблюдаемого ныне количества этих элементов.

Ученые стали искать иные физические модели "начала". В 1961 году академик Я.Б.Зельдович выдвинул альтернативную холодную модель, согласно которой первоначальная плазма состояла из смеси холодных ( с температурой ниже абсолютного нуля) вырожденных  частиц - протонов, электронов и нейтрино. Три года спустя астрофизики И.Д.Новиков  и А.Г.Дорошкевич произвели сравнительный  анализ двух противоположных моделей  космологических начальных условий - горячей и холодной - и указали  путь опытной проверки и выбора одной  из них. Было предложено  с помощью  изучения спектра излучений  звезд  и космических радиоисточников  попытаться обнаружить остатки первичного излучения.  Открытие остатков первичного излучения подтверждало бы правильность горячей модели, а если таковые  не существуют, то это будет свидетельствовать  в пользу холодной модели.

Почти в то же время группа американских исследователей во главе  с физиком Робертом Дикке, не зная об опубликованных результатах работы Гамова, Альфера и Германа, возродила исходя из иных теоретических соображений горячую модель Вселенной. Посредством астрофизических измерений Р.Дикке и его сотрудники нашли подтверждение существования космического теплового излучения. Это эпохальное открытие позволило получить важную, ранее недоступную информацию о начальных порах эволюции астрономической Вселенной. Зарегистрированное реликтовое излучение есть не что иное, как прямой радиорепортаж об уникальных общевселенских событиях, имевших место вскоре после "Большого Взрыва" - самого грандиозного по своим масштабам и последствиям катастрофического процесса в обозримой истории Вселенной.

Таким образом, в результате астрономических наблюдений последнего времени удалось однозначно решить принципиальный вопрос о характере  физических условий, господствовавших на ранних стадиях космической эволюции: наиболее адекватной оказалась горячая  модель "начала". Сказанное, однако, не означает, что подтвердились все  теоретические утверждения и  выводы космологической концепции  Гамова. Из двух исходных гипотез теории - о нейтронном составе "космического яйца" и горячем состоянии молодой  Вселенной - проверку временем выдержала  только последняя, указывающая на количественное преобладание излучения над веществом  у истоков ныне наблюдаемого космологического расширения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Современная наука о происхождении Вселенной.

На нынешней стадии развития физической космологии на передний план выдвинулась задача создания тепловой истории Вселенной, в особенности  сценария образования крупномасштабной структуры Вселенной.

Последние теоретические  изыскания физиков велись в направлении  следующей фундаментальной идеи: в основе всех известных типов  физических взаимодействий лежит одно универсальное взаимодействие; электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное взаимодействия являются различными гранями единого взаимодействия, расщепляющегося по мере понижения уровня энергии соответствующих физических процессов. Иначе говоря, при очень высоких температурах (превышающих определенные критические значения) различные типы физических взаимодействий начинают объединяться, а на пределе все четыре типа взаимодействия сводятся к одному единственному протовзаимодействию, называемому "Великим синтезом".

Согласно квантовой теории то, что остается после удаления частиц материи ( к примеру, из какого-либо закрытого сосуда с помощью вакуумного насоса), вовсе не является пустым в  буквальном смысле слова, как это  считала классическая физика. Хотя вакуум не содержит обычных частиц, он насыщен "полуживыми", так называемыми виртуальными тельцами. Чтобы их превратить в настоящие частицы материи, достаточно возбудить вакуум, например, воздействовать на него электромагнитным полем, создаваемым внесенными в него заряженными частицами.  

Но что же все таки явилось  причиной "Большого Взрыва"? Судя по данным астрономии физическая величина космологической постоянной, фигурирующей в энштейновских уравнениях тяготения, очень мала, возможно близка к нулю. Но даже будучи столь ничтожной, она  может вызвать очень большие  космологические последствия. Развитие квантовой теории поля привело к  еще более интересным выводам. Оказалось, что космологическая постоянная является функцией от энергии, в частности  зависит от температуры. При сверхвысоких температурах, господствовавших на самых ранних фазах развития космической материи, космологическая постоянная могла быть очень большой, а главное, положительной по знаку. Говоря другими словами, в далеком прошлом вакуум мог находиться в чрезвычайно необычном физическом состоянии, характеризуемом наличием мощных сил отталкивания. Именно эти силы и послужили физической причиной "Большого Взрыва" и последующего быстрого расширения Вселенной.