«Современное состояние космологии».

Стремление представить структуру всего окружающего мира всегда являлось одной из насущных потребностей развивающегося человечества. «Как устроен мир? Почему существует? Откуда взялся?» — это примеры вечных вопросов. Их задавали себе люди и тогда, когда настоящей науки еще не было, и потом, когда зарождающееся и набирающее силу знание начало свое бесконечное движение в отыскании истины. Во время работы над этой темой была предпринята попытка небольшого анализа истории космологии и проблемы скрытой массы во Вселенной.

На каждом историческом этапе у людей были различные господствующие представления о Вселенной. Эти представления отражали тот уровень знаний и опыт изучения природы, который достигался на соответствующем этапе развития общества. По мере того как расширились пространственные (и временные) масштабы познанной человеком части Вселенной, менялись и космологические представления. Первой космологической моделью, имеющей Математическое обоснование, можно считать геоцентрическую систему мира К. Птолемея (II век н. э.). В системе Птолемея в центре Вселенной была неподвижная шарообразная Земля, а вокруг нее обращалась Луна, Солнце, планеты, движимые сложной системой окружностей — «эпициклов» и «дифферентов», и, наконец, все это было заключено в сферу неподвижных звезд. То есть система претендовала на описание всего материального мира, т. е. была именно космологической системой. Как бы наивно с нашей сегодняшней точки зрения ни выглядел этот «весь мир», необходимо отметить, что в ней было рациональное зерно — кое-что эта система описывала в основном правильно. Конечно, правильное описание касалось не всего мира, всей Вселенной, а только лишь маленькой его части. Что же в этой системе было правильным? Правильным было представление о нашей планете как о шарообразном теле, свободно висящем в пространстве; правильным было то, что Луна обращается вокруг Земли. Все остальное, как выяснилось, не соответствовало действительности. Наука тогда была еще в таком состоянии, что, за исключением отдельных гениальных догадок, не могла выйти за рамки системы Земля — Луна. Система мира Птолемея господствовала в науке около 1,5 тысячи лет. Затем ее сменила гелиоцентрическая система мира Н. Коперника (XVI век и. э.).

Революция, произведенная в науке учением Коперника, связана в первую очередь с тем, что наша Земля была признана рядовой планетой. Исчезло всякое противопоставление «земного» и «небесного». Система Коперника также считалась системой «всего мира». В центре мира было Солнце, вокруг которого обращались планеты. Все это охватывала сфера неподвижных звезд.

Как мы знаем теперь, в действительности система Коперника была вовсе не «системой мира», а схемой строения Солнечной системы, и в этом смысле была правильной.

В дальнейшем необычное расширение масштабов исследованного мира благодаря изобретению и совершенствованию телескопов привело к представлению о звездной Вселенной. Наконец, в начале XX века возникло представление о Вселенной как о мире галактик (метагалактики). При рассмотрении этой исторической цепочки смен космологических представлений ясно прослеживается следующий факт. Каждая «система мира» по существу была моделью наибольшей достаточно хорошо изученной к тому времени системы небесных тел. Так, модель Птолемея правильно отражала строение системы Земля — Луна, система Коперника была моделью Солнечной системы, идеи модели звездного мира В. Гершеля и др. отражали некоторые черты строения нашей звездной системы — Галактики. Но каждая из этих моделей претендовала в свое время на описание строения «всей Вселенной». Эта же тенденция на новом уровне прослеживается, как мы увидим, и в развитии современной космологии в XX веке.

1. Понятие космологии

Космология (от космос и ...логия), учение о Вселенной как едином целом и о всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной как части целого; раздел астрономии. Выводы Космология (модели Вселенной) основываются на законах физики и данных наблюдательной астрономии, а также на философских принципах (в конечном счёте - на всей системе знаний) своей эпохи. Важнейшим философским постулатом космологии является положение, согласно которому законы природы (законы физики), установленные на основе изучения весьма ограниченной части Вселенной, чаще всего на основе опытов на планете Земля, могут быть экстраполированы (распространены) на значительно большие области, в конечном счёте - на всю Вселенную. Без этого постулата, Космология как наука, невозможна.

Космологические теории разных эпох (а часто и относящиеся к одной и той же эпохе) существенно различаются в зависимости от того, какие физические принципы и законы принимаются в качестве достаточно универсальных и кладутся в основу космологии Степень универсальности принципов и законов не может быть проверена непосредственным путём, но построенные на их основе модели должны допускать проверку; для наблюдаемой области Вселенной («астрономической Вселенной») выводы из глобальной модели должны подтверждаться наблюдениями (во всяком случае не противоречить им), а также предсказывать новые явления, которые ранее не наблюдались. Из необозримого множества моделей, которые можно построить, лишь очень немногие могут удовлетворить этому критерию. В 70-х гг. 20 в. этому требованию наилучшим образом удовлетворяют разработанные на основе общей теории относительности (в релятивистской Космологии) однородные изотропные модели нестационарной горячей Вселенной.

1.1. Историческая справка о космологии

Историческая справка. В наивной форме космологические представления зародились в глубочайшей древности в результате попыток человека осознать своё место в мироздании. Эти представления являются характерной составной частью различных мифов и верований. Более строгим логическим требованиям удовлетворяли космологические представления античных философов школ Демокрита, Пифагора, Аристотеля (5-4 вв. до н. э.). Влияние Аристотеля на Космология сохранялось на протяжении почти двух тысячелетий. Первая математическая модель Вселенной, основанная на всей совокупности данных астрономических наблюдений, представлена в «Альмагесте» (2 в. н. э.); эта геоцентрическая система мира объясняла все известные в ту эпоху астрономические явления и господствовала около полутора тыс. лет. За это время не было сделано практически никаких астрономических открытий, но стиль мышления существенно изменился. Предложенная Н. Коперником (16 в.) гелиоцентрическая система мира, несмотря на противодействие христианского догматизма, получала всё более широкое признание, особенно после того как Г. Галилей, применив для астрономических наблюдений телескоп, впервые (1-я половина 17 в.) обнаружил факты, которые трудно было совместить с геоцентрической системой. Ещё до этого Дж. Бруно, в соответствии с учением Коперника, сделал философский вывод о бесконечности Вселенной и отсутствии в ней какого-либо центра; этот вывод оказал большое влияние на всё последующее развитие Космология Основанная на учении Коперника революция в Космология явилась исходным пунктом революции в астрономии и естествознании в целом. Закон всемирного тяготения (И. Ньютон, 1685), в самом названии которого подчёркнута его космологическая универсальность, дал возможность рассматривать Вселенную как систему масс, взаимодействия и движения которых управляются этим единым законом. Однако при применении ньютоновой физики к бесконечной системе масс обнаружились т. н. космологические парадоксы.

1.2. Формирование научной космологии

Космологией называется раздел физики, изучающий происхождение и строение Вселенной как целого. Эмпирическим основанием космологии является внегалактическая астрономия. Ее теоретический фундамент составляют основные физические теории, среди которых особую роль играет теория тяготения. Первая научная космология построена И. Ньютоном на основе открытого им закона всемирного тяготения. Вслед за Дж. Бруно, Г. Галилеем и другими предшественниками, И. Ньютон считал, что Вселенная бесконечна, вечна и находится в стационарном (т.е. устойчивом, относительно неизменном) состоянии. Идея бесконечности Вселенной подкреплялась у него тем соображением, что иначе под действием гравитации все вещество слилось бы в единую массу.

Но Э. Галлей сразу заметил, что в такой Вселенной сила гравитации должна быть в каждой точке бесконечной. Сознавал данную проблему и сам Ньютон. В дальнейшем этот вывод был подтвержден и получил название гравитационного парадокса , или парадокса Зеелигера. Некоторые современные авторы считают, что в свете новой науки такого парадокса не возникает, но при этом указывают, что во Вселенной Ньютона сила гравитации в каждой точке должна быть неопределенной. В 1744 г. швейцарский астроном Ж. Широ сформулировал т.н. фотометрический парадокс : во Вселенной Ньютона свечение неба должно быть равномерным, чего фактически не наблюдается. Позднее его стали называть парадоксом Ольберса.

Идею преодоления таких парадоксов на почве классической механики выдвинул еще в XVIII в. известный философ И. Кант. Он предложил “островную” теорию строения космоса, которую поддержали и развили И. Ламберт и У. Гершель. Сформировалось представление о Вселенной как о бесконечной иерархии систем, подобных солнечной планетарной системе. Тогда на удалении от центра плотность вещества стремилась к нулю, и упомянутые парадоксы действительно исчезали. Однако со временем выяснилось, что фактическая плотность вещества во Вселенной и величина сил гравитации в ней недостаточны для построения иерархических систем, превышающих скопление галактик: более крупные системы такого рода неминуемо должны рассеяться. Кроме того (как верно заметил А. Эйнштейн), такая модель несостоятельна в философском отношении, т.к. предполагает абсолютный центр Вселенной.

Современная космология называется релятивистской (от лат. relativus – относительный), т.к. в ней большую роль играют обе теории относительности А. Эйнштейна – специальная и, особенно, общая. В релятивистской космологии преодолеваются парадоксы старой космологии. Но под Вселенной в ней понимается уже не весь универсум, а только совокупность тел, производных от определенной субстанции – физического вакуума , природа и свойства которого рассмотрены в предыдущих лекциях. По современным представлениям, наша Вселенная существует всего около 13-15 млрд. лет и имеет ограниченный объем (хотя теоретически возможны и модели с бесконечным пространством и временем).

Из конечности объема Вселенной не следует, что она где-то имеет границы, препятствующие движению. Топологически Вселенная замкнута на себя, подобно поверхности шара. Но если из любой ее точки протянуть радиусы в пространство, то площадь сферы, замыкающей концы этих радиусов, сначала будет увеличиваться, а с некоторого момента начнет уменьшаться, пока они не уткнутся в ту же точку, из которой вышли. Радиус Вселенной определяется формулой R ² = 1,08 10²⁷ / см, где – средняя плотность вещества во Вселенной. Т.к. эта плотность пока точно неизвестна, неизвестен и точный объем Вселенной. Известен только приблизительный размер Метагалактики – доступной наблюдению части Вселенной: около 10²² км. Видимо, это больше половины пространства Вселенной. В этой области находится несколько миллиардов галактик, подобных нашей галактике Млечного пути.

Нет оснований считать, что наш физический вакуум – какая-то абсолютная первоматерия. Поэтому современная космология допускает, что кроме нашей Вселенной, могут существовать иные миры (видимо, бесконечно многие), в основе которых лежат субстанции с другими свойствами и параметрами. Заметим, что идея эта не нова. Еще Демокрит говорил о бесконечном множестве миров, каждое со своими небесами, и к той же концепции приближался Дж. Бруно. Советский физик М.А. Марков предложил т.н. гипотезу фридмонов (от имени А.А. Фридмана), согласно которой любая физическая вселенная в пространстве другой вселенной может иметь масштаб элементарной частицы. Теоретически установлено, что гравитационный дефект массы пространственно замкнутых Вселенных равен всей массе этих Вселенных. Это означает, что хотя во Вселенной содержатся миллиарды миллиардов тонн вещества, ее масса как целого равна нулю. Сегодня наличие множества Вселенных теоретически доказывает, напр., видный отечественный космолог А.Д. Линде. Возможно, что Вселенные различной природы взаимодействуют между собой, напр., через т.н. черные дыры, о которых подробнее сказано в следующей теме.

Современная теория возникновения и развития Вселенной основана на космологических уравнениях ОТО, сформулированных Эйнштейном. Но их решения зависят от средней плотности вещества во Вселенной, которую пока не удается установить. В результате, появилось около 20 различных космологических моделей или сценариев, которые можно разделить на три типа. Одни из них считают, что Вселенная будет вечно находиться в приблизительно одинаковом состоянии, возможно, колеблясь (осциллируя) в известных пределах (теории стационарной Вселенной), другие – что она должна беспредельно расширяться, третьи считают, что Вселенной предстоит радикальное сжатие. Выбор зависит от того, достигает ли современная плотность вещества некоторой критической величины (около 10^–29 г/см³ ), или находится, соответственно, ниже либо выше этой величины. Сам Эйнштейн исходил из представления о стационарной Вселенной, но ему пришлось искусственно ввести в свои уравнения т.н. лямбда-член, отражающий неизвестную силу отталкивания, которая возрастала бы с расстоянием между телами, чтобы скомпенсировать силу тяготения. В конце 20-х гг. А. Эддингтон показал, что Вселенная Эйнштейна неустойчива к случайным нарушениям равновесия.

По современным данным, средняя плотность вещества составляет около 3·10^–31 г/см³ , т.е. ниже критической, в силу чего Вселенная должна расширяться. Возможно, что этот результат не окончателен, ибо в мире есть немало т. н. темной материи, влияние которой трудно учесть. Тем не менее, теории расширяющейся Вселенной получили приоритет, в силу иных соображений и наблюдений. В 1922 г. отечественный математик А.А. Фридман показал, что более естественно признать зависимость радиуса Вселенной от времени, и что космологические уравнения допускают в начале развития Вселенной т.н. сингулярность (от лат. singularis – отдельный, особый): практически точечное состояние сверхвысокой (в принципе – бесконечной) плотности вещества. Тем самым предполагалось и расширение Вселенной в процессе ее формирования. С точки зрения диалектики, расширение Вселенной – проявление дифференциации, присущей всякому процессу прогрессивного развития.

Еще в 1912 г. американский астроном В. Слайфер заметил космический доплер-эффект: смещение спектральных линий галактик в направлении длинноволновой (красной) части спектра. Так должно быть, если галактики удаляются от нас, в результате чего световые волны между ними растягиваются (хотя возможны и другие интерпретации красного смещения). В 1929 г. другой американский астроном, Эдвин Хаббл, установил, что красные смещения спектров галактик растут в среднем пропорционально их удалению от нас, как будто все они разлетаются из точки нашего местонахождения. Среднее значение постоянной Хаббла H определяется величиной 75 км/(с Мпк), но колеблется приблизительно от 50 до 100 км/(сМпк). Обратная величина 1/H имеет размерность времени и позволяет определить возраст Вселенной в пределах 10-20 млрд. лет.

Опираясь на эти наблюдения, Дж. Гамов в 1846-1848 гг. выдвинул гипотезу “горячей Вселенной”. Согласно ей, с момента появления Вселенная расширялась, и ее расширение продолжается поныне. При этом на ранних этапах расширения вещество и излучение имели большу ю плотность и высокую температуру. Исходя из этой гипотезы, в 1953 г. Гамов предсказал т. н. реликтовое излучение а в 1964 г. американские астрофизики А. Пензиас и Р. Вильсон эмпирически доказали его существование. Это излучение представляет собой огромное множество фотонов с одинаковой энергией, равномерно заполняющих Вселенную, и создает неустранимые радиопомехи на волне 7,35 см независимо от ориентации антенны. Сейчас реликтовое излучение имеет весьма низкую температуру (около 2,7 К), но объяснить его можно только предположив, что когда-то Вселенная имела маленький объем и была очень “горячей”, а затем остыла в процессе расширения. Энергичное развитие космологии началось только после этого открытия

В 2000 г. появились даже представления, что расширение Вселенной непрестанно ускоряется. В связи с этим говорят о наличии в ней антигравитационных сил. Их связывают с космологической постоянной Эйнштейна и пытаются объяснить как проявление энергии вакуума. Кроме того, были обнаружены микрофлуктуации температуры реликтового излучения и тонкие завихрения в нем. В результате был сделан вывод о плоской и бесконечно расширяющейся Вселенной. Эти результаты можно назвать сенсационными, однако необходим их дальнейший тщательный анализ и проверка временем.

Итак, сегодня практически общепризнанно, что Вселенная в прошлом была горячей, имела малый объем и в процессе своей эволюции расширяется. Но остается еще вопрос о начале и путях ее расширения. Его мы рассмотрим в следующем пункте лекции.

Возникновение современной Космология связано с созданием релятивистской теория тяготения (А. Эйнштейн, 1916) и зарождением внегалактической астрономии (20-е гг.). На первом этапе развития релятивистской космологии главное внимание уделялось геометрии Вселенной (кривизна пространства-времени и возможная замкнутость пространства). Начало второго этапа можно было бы датировать работами А. А. Фридмана (1922-24), в которых было показано, что искривленное пространство не может быть стационарным, что оно должно расширяться или сжиматься; но эти принципиально новые результаты получили признание лишь после открытия закона красного смещения (Э. Хаббл, 1929).

1.2.1. Закон Хаббла и измерение расстояний до галактик

Большинство наблюдательных фактов, относящихся к Вселенной в целом, были получены с помощью исследования звездных систем — галактик.

Еще в начале нашего века было установлено, что в спектрах большинства галактик (за исключением единиц) линии всех химических элементов смещены в красную сторону. Мерой этого красного смещения является величина z, определяемая по формуле:

z=(-0)/0, (2.1)

где 0 — длина световой волны, характерная для данного элемента и — длина волны, которую регистрирует земной наблюдатель. Для всех элементов величина z одна и та же. Смещение в спектрах галактик объясняется эффектом Доплера, согласно которому чем быстрее удаляется от нас какой-либо объект, тем больше величина красного смещения (при приближении объекта наблюдается фиолетовое смещение). Если скорость v удаления объекта много меньше скорости света c, то связь между v и z следующая: v=cz. (2.2)

Поскольку скорость v направлена вдоль луча зрения, ее называют лучевой.

Рисунок 1 Эдвин Пауэлл Хаббл (1889-1953).

В 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл (рис. 2.3.1) сделал замечательное открытие: лучевая скорость v любой галактики (измеренная с помощью красного смещения) пропорциональна расстоянию r от нее:

v=Hr, (2.3)

где H — коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Хаббла. Это соотношение называется законом Хаббла. Заметим, что самая далекая галактика, известная на сегодняшний день, имеет красное смещение z=6.68 (по неподтвержденным пока сообщениям, открыты несколько галактик с z10).

В настоящее время закон Хаббла считается установленным достаточно надежно. Для его доказательства достаточно измерить относительные расстояния до галактик (т.е., грубо говоря, установить, во сколько раз одна галактика дальше другой). Главным методом измерения внегалактических расстояний является метод “стандартной свечи”, заключающийся в следующем: выбирается класс объектов с известной (либо легко вычисляемой) мощностью излучения L (светимостью). В помощью астрономических инструментов измеряется поток излучения j от этого объекта на Земле. Но поток ослабляется обратно пропорционально квадрату расстояния, j=L/4r2. Отсюда вычисляется расстояние до объекта (подчеркнем, что для вычисления относительных расстояний нет необходимости знать саму светимость стандартной свечи, достаточно знать, что она действительно неизменна от объекта к объекту).

Эдвин Хаббл использовал в этом качестве цефеиды — пульсирующие переменные звезды, светимость которых тем больше, чем больше период изменения их блеска. Цефеиды в этом качестве используются и поныне, хотя они они видны на расстояниях менее 100 млн св. лет. Гораздо более яркими объектами являются грандиозные звездные взрывы - сверхновые звезды. Их известно несколько разновидностей, но лучше всего на роль стандартных свечей подходят сверхновые типа Ia (СН-Ia), имеющие одну и ту же светимость - около 10 млрд светимостей Солнца. Взрывы СН-Iа происходят тогда, в состав двойной звезды входит обычная звезда и сверхплотная звезда — белый карлик, на которую выпадает вещество с обычной звезды. Из законов квантовой механики следует существование верхнего предел массы белого карлика — 1.4 массы Солнца (предел Чандрасекара). Чуть только масса карлика вместе с массой выпавшего на него вещества превосходит этот предел, белый карлик становится неустойчивым и взрывается, от него остается только оболочка, расширяющаяся с огромной скоростью — до нескольких тысяч км/сек. Поскольку эти взрывы происходят, как только масса переваливает за предел Чандрасекара, все СН-Iа имеют примерно одинаковые максимальные светимости и поэтому часто используются в качестве “стандартных свечей”, а поскольку они наблюдаются с огромных расстояний, их используют для определения расстояний до удаленных галактик. Этот метод подтверждает справедливость закона Хаббла вплоть до огромных расстояний — более миллиарда световых лет (рис. 2.3.2).

Рисунок 2 Линейность соотношения между скоростью удаления галактик и расстоянием до них. Расстояния до галактик вычислены с помощью сверхновых типа Ia (из статьи Turner and Tyson, 1998).

Гораздо труднее измерить значение постоянной Хаббла, ведь для этого нужно знать не только относительные, но и абсолютные расстояния до галактик. По оценкам самого Хаббла, H~550 км/(с·Мпк). В 1958 году его ученик Алан Сендидж установил, что великий астроном значительно преуменьшал расстояния до галактик; по оценке Сэндиджа, постоянная Хаббла заключена в пределах H~50-100 км/(с·Мпк). Часто постоянную Хаббла выражают в виде H=h·100 км/(с·Мпк). Сам Сэндидж вместе с швейцарским астрономом Густавом Тамманном получили значение h~0.55, но многие другие астрономы прежде склонялись к оценке h~0.95.

Последние несколько лет ознаменовались заметным прогрессом в определении внегалактических расстояний. В первую очередь, это связано с деятельностью Космического телескопа им. Хаббла (Hubble Space Telescope, HST) — рефлектора с зеркалом диаметром 2.4 метра, обращающегося по орбите вокруг Земли. В частности, с помощью этого телескопа осуществляется проект поиска цефеид в далеких галактиках. Лидер этого проекта Венди Фридман и ее коллеги дают оценку h~0.70. Многие другие учение полагают, однако, что, поскольку цефеиды удается обнаружить только в достаточно близких галактиках, значение постоянной Хаббла, измеренное с помощью этих звезд, не может характеризовать Вселенную в целом. На HST ведется также поиск СН-Ia на космологических расстояниях; некоторые из этих звезд вспыхнули в тех же галактиках, расстояния до которых удалось измерить с помощью цефеид, что позволило Алану Сэндиджу, Густаву Тамманну и их сотрудникам оценить светимость СН-Ia и с их помощью можно измерить расстояния до очень далеких галактик. Значение постоянной Хаббла, найденной этим методом, оказалось h~0.58. Другая группа астрономов также при помощи СН-Ia получила значение h~0.65. Большинство современных оценок постоянной Хаббла лежат в интервале 0.55h0.75, т.е.

55 км/(с·Мпк)H75 км/(с·Мпк).

Для численных оценок мы будем использовать значение h=0.65.

1.2.2. Связь закона Хаббла и космологического принципа

На первый взгляд кажется, что закон Хаббла противоречит космологическому принципу, ведь из него как будто следует, что именно наше местоположение является тем центром, от которого разбегаются все остальные галактики. На самом деле, такое мнение ложно. Если бы мы располагались в любой другой звездной системе, мы зафиксировали бы точно такой же закон разбегания галактик (рис. 2.4.1).

Рисунок 3 График, иллюстрирующий независимость закона Хаббла от положения галактики, из которой производится наблюдение. Слева: точка наблюдения - галактика А, справа: точка наблюдения - галактика В.

Это нетрудно доказать математически. Пусть vA и rA — векторы скорости удаления и расстояния от нас некоторой произвольно выбранной галактики А. Эти же величины, измеренные с точки зрения галактики В, обозначим vA и rA. Векторы vA и vA, rA и rA связаны между собой соотношениями (преобразованиями Галилея)

vA=vA+vB,

rA=rA+rB,

где vB - вектор скорости галактики В, а rB - ее радиус-вектор относительно нашей Галактики. Но согласно закону Хаббла

vA=H·rA,

vB=H·rB,

т.е.vA-vB=H·(rA-rB).

Отсюда мы заключаем, чтоvA=H·rA.

Таким образом, скорость и расстояние до (произвольно выбранной) галактики А с точки зрения любой другой галактики В связаны тем же соотношением, что и с точки зрения нашей Галактики — законом Хаббла. Поэтому этот закон не противоречит однородности и изотропии Вселенной.

Более того, закон Хаббла является единственным законом разбегания галактик, не противоречащим космологическому принципу. В этом можно убедиться следующим образом. Рассмотрим какую-нибудь геометрическую фигуру, образованную несколькими галактиками (рис. 2.4.2). С течением времени эта фигура должна увеличиваться так, чтобы всегда оставаться подобной самой себе (в противном случае расстояния в одном направлении росли бы быстрее, чем в другом, а это противоречит изотропии Вселенной). Поэтому за одно и то же время расстояние до каждой галактики должно возрастать в одно и то же число раз. Пусть галактика А расположена в N раз дальше от произвольно выбранного центра (например, нашей Галактики), чем другая галактика В. Поэтому она и двигаться должна в N раз быстрее, чем галактика B. Другими словами, скорость галактики должна быть пропорциональна расстоянию до нее, о чем и говорит нам закон Хаббла.

Рисунок 4 В однородной и изотропной Вселенной треугольник, образованный тремя удаляющимися друг от друга галактиками, всегда остается подобным самому себе. Стрелками показаны перемещения галактик за малый промежуток времени.

Как и космологический принцип, закон Хаббла выполняется приближенно. Отклонения от закона Хаббла называются пекулярными движениями галактик. Эти отклонения связаны с отклонениями Вселенной от однородности и изотропии, обусловленные существованием групп, скоплений и сверхскоплений галактик. Например, галактики, входящие в состав одной и той же гравитационно-связанной системы (группы или скопления) не разбегаются друг от друга, их относительные скорости направлены хаотично, наподобие скоростям молекул в сосуде с газом (разумеется, расстояния внутри галактик также не зависят от космологического расширения). Поэтому закон Хаббла следует понимать как закон разбегания друг от друга скоплений и групп как целого, а также галактик, не входящих в состав этих систем (так называемых галактик поля).

Однако пекулярные скорости галактик и их скоплений практически не зависят от расстояния, тогда как хаббловская скорость Hr возрастает с расстоянием, поэтому относительный вклад пекулярных скоростей в картину движений объектов в дальней Вселенной сравнительно невелик.

1.2.3. Разбегание галактик и Большой Взрыв

Важное значение закона Хаббла заключается в том, что он дает простой способ измерения расстояний до галактик, поскольку красное смещение в их спектрах пропорционально расстоянию до галактики. Однако главное значение этого закона заключается в другом. Разбегание галактик говорит об уменьшении средней плотности вещества во Вселенной с течением времени. А поскольку галактики согласно космологическому принципу заполняют собою все пространство, это означает, что Вселенная как целое расширяется.

Представим себе, что мы засняли процесс разбегания галактик на кинопленку. Мысленно (а как еще?!) прокрутим этот космический фильм в обратном направлении. Мы увидим, что галактики постепенно приближаются друг к другу и, наконец, когда-гибудь настанет момент, когда расстояние между любыми элементами материи во Вселенной равно нулю. Этот момент носит название Большого Взрыва. С него началось существование Вселенной. Ясно, что в момент Большого Взрыва плотность материи была очень велика. Формально, даже бесконечно велика, но необходимо добавить, что существующие физические теории не могут быть продолжены за пределы плотностей, выше чем 1093 г/см3 (планковская плотность). Состояние вещества в начале расширения называется сингулярностью (от латинского слова singular — особенный).

Нетрудно оценить, сколько времени прошло с момента Большого Взрыва. Представим себе, что галактика движется с постоянной скоростью v и в настоящее время она расположена на расстоянии r от нас. Тогда ее движение продолжалось в течение времени tH=r/v. Но по закону Хаббла v=Hr, т.е. tH=H-1 (2.4)

(это время носит название хаббловского). Поскольку величина H одинакова для всех галактик, мы приходим к выводу, что все галактики начали свое движение одновременно (заметим, что, если бы скорость удаления галактик не была пропорциональной расстоянию, то понятие Большого Взрыва было бы неприменимым, поскольку разные галактики начали бы движение в разное время). Итак, если скорость движения галактик неизменна, то хаббловское время представляет собой возраст Вселенной. Например, если постоянная Хаббла H=65 км/(с·Мпк), то хаббловское время tH15 млрд. лет.

Впрочем, эта оценка является весьма грубой. Дело в том, что мы предположили, что скорость галактик всегда была неизменна, в действительности же она могла меняться. Например, если скорость галактики с течением времени уменьшается, то в прошлом она была больше и реальный возраст Вселенной должен быть меньше хаббловского времени.

Интересно сравнить с этой оценкой другой важный промежуток времени — возраст старейших звезд, который можно оценить с помощью теории звездной эволюции (таковыми являются звезды, населяющие так называемые шаровые звездные скопления, рис. 2.5.1).

Рисунок 5 Ближайшее к нам шаровое звездное скопление М13 в созвездии Геркулеса. При благоприятных погодных условиях его можно увидеть даже невооруженным глазом. Ссылка на источник.

Существующие оценки говорят о том, что возраст старейших скоплений составляет 14 млрд. лет с возможной ошибкой 3 млрд. лет в ту или другую сторону. Как видим, это по порядку величины совпадает с хаббловским временем, что является сильным аргументом в пользу теории Большого Взрыва, поскольку если бы эта теория была не верна, возраст старейших звезд и хаббловское время могли бы различаться на сколько угодно порядков величин. Некоторые трудности возникают в том случае, если возраст старейших звезд превосходит хаббловское время (ведь не может же Вселенная быть моложе звезд, входящих в ее состав). Разрешение этого возможного противоречия — введение так называемой космологической постоянной. Впрочем, по последним данным, возраст старейших составляет примерно 12 млрд. лет, что, как видим, не противоречит предполагаемому возрасту Вселенной.

Возникает вопрос, что было раньше? К сожалению, наука пока не в состоянии дать на него ответ, поскольку, как уже было сказано, современной теории недостаточно для того, чтобы описать cвойства материи при плотностях выше планковской (1093 г/см3). Впрочем, ученые пытаются найти хотя бы направление поисков ответа на этот, без сомнения, центральный вопрос современной науки. Возможно, что само понятие время до Большого Взрыва лишено реального смысла; до Большого Взрыва просто ничего не было. Можно провести аналогию с вопросом: Что находится севернее северного полюса? Ясно, что ничего. Если это так, то Большой Взрыв — это момент происхождения не только Вселенной, но и самого пространства-времени.

Обратим внимание на один важный вывод, следующий из формулы (2.4), если ее прочитать справа налево: величина постоянной Хаббла обратна времени, прошедшему с начала расширения. Это означает, что H непрерывно уменьшается в ходе расширения Вселенной. Об этой величине как о постоянной говорят в том смысле, что она не зависит от расстояния.

Рисунок 6

2. Второе начало термодинамики в релятивистской модели вселенной

На первый план теперь выступили проблемы механики Вселенной и её «возраста» (длительности расширения). Третий этап начинается моделями «горячей» Вселенной (Г. Гамов, 2-я половина 40-х гг.). Основное внимание теперь переносится на физику Вселенной - состояние вещества и физические процессы, идущие на разных стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии, когда состояние было очень необычным. Наряду с законом тяготения в космологии приобретают большее значение законы термодинамики, данные ядерной физики и физики элементарных частиц. Возникает релятивистская астрофизика, которая заполняет существовавшую брешь между Космологией и астрофизикой.

Представим себе, что в момент, недалеко отстоящий от Большого Взрыва, первый наблюдатель (назовём его Пращуром) производит измерение характеристик окружающего мира. Он наблюдает вокруг себя некий сверхмассивный сингулярный объект, обладающий сверхсложной внутренней структурой, лишённый всех современных физических характеристик, кроме масс-энергии. Наблюдения он ведёт не в диапазоне электромагнитных или гравитационных волн, а при помощи некоторого квантового взаимодействия, не имеющего сегодня никаких однозначных аналогов. Это не случайно, так как отделения энергии от вещества ещё не произошло. Тем не менее, нет сомнений, что какие-либо отдалённые аналоги современного процесса наблюдения существовали и тогда. Представим себе, что заметки Пращура, чудесным образом, уцелели в процессе Большого Взрыва.

Современный наблюдатель (назовём его Современник), читая наблюдения Пращура, попытается в картине современной вселенной отождествить остаточные явления от объектов, описанных в заметках. Ни одного объекта отождествить не удастся, однако, пространственная картина покажет ему, что точка, откуда велись наблюдения Пращура, равномерно находилась везде. Этот эффект известен. Именно из-за него не обнаружим центр, из которого расширяется вселенная. Он находится повсюду. К несчастью, на этом мысленные эксперименты, обычно, обрываются. Продолжим их.

Проведём усовершенствование нашего Пращура, снабдив его вечной жизнью, высокой устойчивостью к внешним обстоятельствам и универсальными приборами, способными подстраиваться под механизмы отображения, удобные в каждой новой обстановке. Заставим его неутомимо наблюдать и трудиться над летописью все эти миллиарды лет, вплоть до современного момента. Современник продолжает читать результаты его наблюдений, по-прежнему забывая о квантовых, релятивистских и космологических эффектах.

Теперь становится ясен смысл нашей притчи.

Если Современник настроен в духе пустотников Шкловского, он придёт к выводу, что Пращур несколько миллиардов лет назад, путём катастрофического коллапса сконденсировался из межзвёздной среды на границе горизонта реальности. Наблюдения Пращура будут признаны ошибочными вплоть до недавнего момента.

Если Современник принадлежит к числу звёздников Амбарцумяна, он заявит, что наблюдения Пращура были полностью достоверны, но не сможет их объяснить.

В пользу концепции ошибочности наблюдений Пращура будут говорить совершенно очевидные формулы, успешно применяемые в практических областях науки. Эта позиция будет признана солидной, благодаря длительной научной традиции, восходящей к Джинсу и Лапласу.

За достоверность наблюдений будет говорить лишь здравый смысл, свойственный (как известно всем здравомыслящим людям) примитивному этапу познания. Поэтому она будет объявлена спорной и останется в виде упоминаний о принципиальной возможности сверхмассивных сверхплотных состояний вещества в последних строчках монографий.

2.1. Неожиданный аспект проблемы.

Предлагаемый ниже подход не исчерпывает всей вышеописанной проблематики. Вообще, возможно, что эти вопросы относятся к разряду вечных, так как они пережили множество космологий и космогоний, возникших за отрезок письменной истории. Из предыдущего мысленного эксперимента видно, что основные проблемы связаны с отсутствием учёта в формулировке энтропии квантовых, релятивистских и космологических эффектов. При наблюдении удалённых областей вселенной мы забываем о том, что из позднего состояния, обладающего высокой энтропией, мы рассматриваем события такими, какими они были в ушедшие времена более низкой энтропии.

Может возникнуть возражение. Каким образом это может привести к искажению объективно наблюдаемой реальности? Кванты, несущие нам информацию об удалённых в прошлое объектах не стареют, их пути почти не искривляются. Мы должны видеть далёкие галактики и квазары в точности такими же, какими они были миллиарды лет назад. Однако совсем несложные заключения приводят к обратной картине.

Мы не задались основным вопросом. Кванты несут нам объективную картину, А способны ли мы её воспринять? Свет не стареет, стареем мы.

Для выделения информации на фоне шума, необходимо использовать эталон ожидаемого сигнала (см. работы Н. Винера и У. Эшби). Если входящий сигнал проявляет высокую корреляцию с формой эталона, он может считаться принятым. Если эталон частично разрушен, начнутся искажения в приёме. Если форма эталона повреждена непоправимо, объективно существующий входящий сигнал не будет принят. Наблюдательный прибор покажет лишь наличие шума в диапазоне. Состояние высокой энтропии это и есть то состояние, в котором не осталось ни одного целого эталона. Любой эталон, представляющийся нам точным, на самом деле, разрушен.

Естественно, что на границе наблюдаемой вселенной мы видим лишь бесструктурное реликтовое излучение, так как реконструировать тонкую структуру того времени мы не можем, как не можем по облаку дыма восстановить во всех деталях механизм взорвавшейся бомбы. Прошлое скрыто от нас вуалью низкой энтропии так же как будущее - высокой. Более того, возникает иллюзия, что в прошлом энтропия была, наоборот, выше, чем сегодня, но это лишь наблюдательный эффект, связанный с безвозвратной потерей информации о прошлом и самой способности эту информацию принять в нашем мире, утратившем структуру. Отсюда и происходит внешнее удобство описательных моделей гомогенной и изотропной ранней вселенной. То есть, в философском плане, возможно, прав Амбарцумян. В описательном плане правы Джинс, Зельдович и Шкловский. Всё же, модель исходной конденсации небесных тел из равномерной межзвёздной среды так же оказалась бы логичной рабочей моделью и не нуждалась бы в пересмотре, в связи с тем, что какую-то существенную грань реальности, она, всё же вскрывала бы.

Построим приблизительную математическую модель явления.

Представим себе двух наблюдателей, мировые линии которых разойдутся вследствие хаббловского расширения вселенной. Снабдим каждого наблюдателя идентичными приёмо-передатчиками в виде наборов осцилляторов с числом степеней свободы n1, статистическим весом q1 и энтропией s1 = ln q1. Заставим их обмениваться сигналами. (То есть, рассмотрим две эйнштейновские системы отсчёта, но не только механически инерциальные, а реальные термодинамические.)

Ближний наблюдатель, с течением времени, подвергнется действию современного высокого уровня энтропии, и его приёмник будет характеризоваться числом степеней свободы N, статистическим весом Q и энтропией S = ln Q, при эффективном объёме вселенной W, вычисленному по текущему хаббловскому радиусу. Из-за запаздывания сигнала на космологических расстояниях, он будет регистрировать сигналы удалённого наблюдателя, испущенные в ту эпоху, когда его передатчик ещё характеризовался числом степеней свободы n, статистическим весом q и энтропией s = ln q, объёмом вселенной w. Причём N n, Q q, S s, W w. Уровень энтропии удалённого наблюдателя объективно ниже.

Вероятность идентификации сигнала на фоне шума составит функцию, пропорциональную отношению n / N, так как большую часть времени приёмник ближнего наблюдателя (вне зависимости от воли наблюдателя и возможности настройки) будет пребывать в состояниях (N - n), в которых удалённый передатчик ещё не мог находиться (из-за недостаточного числа неучтённых степеней свободы). Так как ближний наблюдатель считает, что его приёмник не изменялся с течением времени, он придёт к выводу, что повышенным уровнем энтропии разрушен передатчик удалённого наблюдателя, а его собственный остался неповреждённым и эталонным. К тому же выводу для себя придёт удалённый наблюдатель, регистрируя сигналы ближнего. Симметрия ситуации полная. Каждый из наблюдателей останется в уверенности, что хаос наблюдается в прошлом, а не в настоящем, и энтропия со временем убывает, а не возрастает. Блестящая пища для ума любителей прогресса и вертикальных путей совершенствования человека, не правда ли?

Следовательно, за основание системы отсчёта можно выбрать любую точку вселенной. Зная разность уровней энтропии между исследуемыми эпохами, мы можем точно определить, будет ли, с нашей точки зрения, существовать тот или иной объект при том или ином уровне космологического красного смещения, будет ли он наблюдаем какими-либо нашими средствами. На подобный класс явлений указывал ещё Вигнер, в ходе дискуссии о пределах точности наблюдений эффектов СТО и конкретном устройстве эйнштейновских часов и линеек, с точки зрения подавления погрешностей, в том числе, термодинамических [8].

Запишем соответствующую формулу релятивистской космологической поправки к энтропии классической физики, учитывая текущее состояние вселенной (предполагая вселенную в большом масштабе подобной изотропному распределению газа).

Приращение S = X R (ln W - ln w) sqrt (1 - v2/c2),

где R - газовая константа, v - скорость удаления объектов на уровне удалённого наблюдателя, в связи с расширением вселенной (включение преобразования Лоренца для скорости необходимо в связи с тем, что энтропия объектов, движущихся с большими скоростями, фиксируется на низком уровне из-за парадокса близнецов). То есть функция медленно возрастает с расстоянием от начала отсчёта, имеет максимум вблизи объектов на горизонте реальности и резкий спад до нуля на последних метрах от этого горизонта. Этот спад не вносит существенного вклада, так как относится к объектам, удаляющимся с околосветовой скоростью, что делает их лучеиспускание в нашем направлении пренебрежимо малым. Сигналы таких объектов на фоне максимума, приходящегося на пик реликтового излучения, будут практически неразличимы.

На первый взгляд, нам удалось спасти честное лицо термодинамики. Энтропия снова всегда растёт. Причём, видимый хаос в событиях не только будущего, но и прошлого, и в удалённых от нас событиях, с потерей (в прошлом) или недостатком (в будущем) информации о них, нарастает. Можно провести интересную аналогию с перенормировкой массы и заряда в квантовой электродинамике. Только здесь их место занимает хаос. Чем более глубоко мы проникаем в мировое пространство, тем с большим видимым хаосом мы встречаемся.

Кроме того, рост хаоса практически тождественен расширению вселенной. Наше увеличение фиктивной (наблюдательной) и реальной энтропии рассматриваемых событий выступает в роли постоянной, линейно связанной с увеличением расстояний до них, и их космологических скоростей.

Данная формула представляет собой грубое линейное приближение, в глобальном временном масштабе, так как понятия хаббловского радиуса вселенной и времени на предельных интервалах и в микромире теряют смысл, а вид закона возрастания энтропии произволен (модель изотропного газа, вообще приведена для примера, вселенная не обязана ей подчиняться).

Может последовать возражение, что в этом случае изображения удалённых космических объектов будут казаться размытыми, как часто бывает в инфляционных моделях статической вселенной [9]. На это можно возразить, что потеря информации на фоне радиотехнического белого шума тем и удобна, что выглядит вполне естественно. То есть объект либо присутствует, либо отсутствует абсолютно, без нарушения деталей видимой структуры.

2.2. Квантовые эффекты.

Рассмотрим теперь квантовый член X нашего уравнения. Он введён не случайно. Оценить его, к несчастью, невозможно. Известно, что законы термодинамической статистики не действуют внутри связанных квантовых объектов. Например, энтропия сверхпроводника с током электронных пар в бозонном состоянии, кристалла при низкой температуре или эйнштейновского фонона, в момент его возникновения, близка к нулю. Следовательно, если вселенная, в целом, обладает высокой степенью квантовой взаимосвязи, все законы термодинамики и теории относительности действуют лишь в ближнем космологическом окружении. Если силы, замыкающие нашу вселенную, весьма велики и организованы, то член Х для расстояний, превышающих размер местного скопления, будет вести себя непредсказуемым образом.

2.3. Связь энтропии с соотношением неопределённостей Гейзенберга и теорией поля.

Изучив всё изложенное выше, можно, казалось бы, навесить на последнее построение ярлык агностицизма, последовательного отрицания объективной реальности и самой возможности её познания. Ставится предел точности любых приборов. Любое наблюдение объявляется бессмысленным.

Подобные выводы поспешны. Во-первых, приняв современную реальность за нуль-пункт отсчёта, мы будем вполне удовлетворены точностью наших приборов при рассмотрении современных событий. Во-вторых, предложенная формула описывает вселенную лишь статистически, на больших временных и пространственных промежутках. Реальные объекты преодолевают внутреннюю энтропию, за счёт локального превышения энтропии в окружающем их пространстве. На этом принципе построено самосохранение и живых организмов и неодушевлённых тепловых машин, например, звёзд и планет. Таким образом, космологические объекты будут лишь асимптотически стремиться к подобной зависимости, но полностью достигнут её только при полной тепловой смерти вселенной, когда все мыслимые структуры распадутся. В реальности, декларируется расширение класса явлений, подчиняющихся законам, аналогичным явлению квантовой неопределённости Гейзенберга. Меняя параметры нашего исследования, мы можем, сколь угодно глубоко, погрузиться в какой-либо аспект характеристик вселенной, однако построить непротиворечивую модель, охватывающую все параметры, не удастся никогда. Например, ничто в предложенной формуле не мешает определить энергетические параметры ранней вселенной, скрытыми остаются только структурные элементы. Вообще, нарастание энтропии тесно связано с действием силового поля любой природы. Предложено компромиссное решение, согласно которому рост энтропии маскирует, действие пресловутых скрытых параметров Эйнштейна, какими и выступают сверхплотные протообъекты Амбарцумяна в космологическом масштабе. Скрытые параметры могут объективно существовать в каждом предшествующем состоянии, но оставаться ненаблюдаемыми, и не поддающимися учёту из каждого последующего состояния, ввиду полной невозможности приёма информации об их действии, как и предполагал Гейзенберг. Поэтому, эксперимент Эйнштейна-Подольского-Розена, проведённый Аленом Аспеком (в ходе которого была доказана фундаментальность явления квантовой неопределённости) доказывает принципиальную невозможность построения соответствующего формализма, но не отрицает философской ценности идеи Эйнштейна. Может быть, действительно, наше восприятие искажено? В его кривом зеркале мы видим вместо золотых веков вселенной, эпох самых сложных и органичных структур, хаотичное кипение большого взрыва, катастрофические вспышки сверхновых, сокрушительные активизации галактических ядер. А, если в поле нашего зрения, всё же попадает структурный объект, он представляется нам конденсирующимся из газо-пылевого облака?

3. Роль Большого Взрыва в космологии

3.1. История открытия большого взрыва

- 1916 год - вышла в свет работа Альберта Эйнштейна «Основы общей теории относительности», которой он завершил создание релятивистской теории гравитации.

-1917 год - — Эйнштейн на основе своих уравнений поля развил представление о пространстве с постоянной во времени и пространстве кривизной (модель Вселенной Эйнштейна, знаменующая зарождение космологии), ввел космологическую постоянную . (Впоследствии Эйнштейн назвал введение космологической постоянной одной из самых больших своих ошибок; уже в наше время выяснилось, что -член играет важнейшую роль в эволюции Вселенной). Виллем де Ситтер выдвинул космологическую модель Вселенной (модель де Ситтера) в работе «Об эйнштейновской теории гравитации и ее астрономических следствиях».

-1922 год— Александр Александрович Фридман нашел нестационарные решения гравитационного уравнения Эйнштейна и предсказал расширение Вселенной (нестационарная космологическая модель). Если экстраполировать эту ситуацию в прошлое, то придётся заключить, что в самом начале вся материя Вселенной была сосредоточена в компактной области, из которой и начала свой разлёт. Поскольку во Вселенной очень часто происходят процессы взрывного характера, то у Фридмана возникло предположение о том, что и в самом начале её развития также лежит взрывной процесс — Большой взрыв.

-1923 год— немецкий математик Г. Вейль отметил, что если в модель де Ситтера, которая соответствовала пустой Вселенной, поместить вещество, она должна расширяться. О нестатичности Вселенной де Ситтера говорилось и в книге Эддингтона, опубликованной в том же году.

-1924 год— Карл Вирц обнаружил слабую корреляцию между угловыми диаметрами и скоростями удаления галактик и предположил, что она может быть связана с космологической моделью де Ситтера, согласно которой скорость удаления отдаленных объектов должна возрастать с их расстоянием.

-1925 год — Лундмарк и затем Штремберг, повторившие работу Вирца, не получили убедительных результатов, а Штремберг даже заявил, что «не существует зависимости лучевых скоростей от расстояния от Солнца». Однако было лишь ясно, что ни диаметр, ни блеск галактик не могут считаться надежными критериями их расстояния. О расширении непустой Вселенной говорилось и в первой космологической работе бельгийского теоретика Жоржа Леметра, опубликованной в этом же году.

- 1927 год — Опубликована статья Леметра «Однородная Вселенная постоянной массы и возрастающего радиуса, объясняющая радиальные скорости внегалактических туманностей». Коэфициент пропорциональности между скоростью и расстоянием, полученный Леметром, был близок к найденному Эдвином Хабблом в 1929. Леметр был первым, кто четко заявил, что объекты, населяющие расширяющуюся Вселенную, распределение и скорости движения которых и должны быть предметом космологии — это не звезды, а гигантские звездные системы, галактики. Леметр опирался на результаты Хаббла, с которыми он познакомился, будучи в США в 1926 г. на его докладе.

-1929 год 17 января в Труды Национальной академии наук США поступила статья Хьюмасона о лучевой скорости NGC 7619 и статья Хаббла, называвшаяся «Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей». Сопоставление этих расстояний с лучевыми скоростями показало четкую линейную зависимость скорости от расстояния, по праву называющуюся теперь законом Хаббла.

-1948 год — Выходит работа Гамова о «горячей вселенной», построенная на теории расширяющейся вселенной Фридмана. По Фридману, вначале был взрыв. Он произошел одновременно и повсюду во Вселенной, заполнив пространство очень плотным веществом, из которого через миллиарды лет образовались наблюдаемые тела Вселенной — Солнце, звезды, галактики и планеты, в том числе Земля и все что на ней. Гамов добавил к этому, что первичное вещество мира было не только очень плотным, но и очень горячим. Идея Гамова состояла в том, что в горячем и плотном веществе ранней Вселенной происходили ядерные реакции, и в этом ядерном котле за несколько минут были синтезированы все химические элементы. Самым эффектным результатом этой теории стало предсказание космического фона излучения. Электромагнитное излучение должно было, по законам термодинамики, существовать вместе с горячим веществом в «горячую» эпоху ранней Вселенной. Оно не исчезает при общем расширении мира и сохраняется — только сильно охлажденным — и до сих пор. Гамов и его сотрудники смогли ориентировочно оценить, какова должна быть сегодняшняя температура этого остаточного излучения. У них получалось, что это очень низкая температура, близкая к абсолютному нулю.С учетом возможных неопределенностей,неизбежных при весьма ненадежных астрономических данных об общих параметрах Вселенной как целого и скудных сведениях о ядерных константах, предсказанная температура должна лежать в пределах от 1 до 10 кельвинов. В 1950 году в одной научно-популярной статье (Physics Today, No. 8, стр. 76) Гамов объявил, что скорее всего температура космического излучения составляет примерно 3 К.

-1964 год— американские радиоастрономы Арно Пензиас и Роберт Вилсон открыли космический фон излучения и измерили его температуру: она оказалась равной 3 кельвинам! Это было самое крупное открытие в космологии со времен открытия Эдвином Хабблом в 1929 году общего расширения Вселенной. Теория Гамова была полностью подтверждена. В настоящее время это излучение носит название реликтового; термин ввел советский астрофизик И. С. Шкловский.

-2003 год— Спутник WMAP с высокой степенью точности измеряет анизотропию реликтового излучения. Вместе с данными предшествующих измерений (COBE, Космический телескоп Хаббла и др.), полученная информация подтвердила космологическую модель CDM и инфляционную теорию. С высокой точностью был установлен возраст Вселенной и распределение по массам различных видов материи (барионная материя — 4 %, тёмная материя — 23 %, тёмная энергия — 73 %).

3.2. Гипотеза большого взрыва и теория инфляционной вселенной

Рисунок 7

Еще в 1927 г. бельгийский астроном Г. Леметр предложил т.н. гипотезу Большого взрыва , а Дж. Гамов в 50-х гг. принял ее как версию своей теории горячей Вселенной. Согласно этой гипотезе, расширение Вселенной началось благодаря взрыву т. н. сингулярности, при котором вещество приобрело колоссальные скорости, а сейчас это расширение продолжается по инерции. В 1970 г. Ст. Хокинг и Р. Пенроуз пришли к выводу, что неограниченное продолжение геодезических линий в пространстве в определенных условиях невозможно. Этот математический результат был истолкован в пользу существования сингулярности и Большого взрыва, и именно на 70-е гг. приходится пик популярности данной гипотезы. Однако в дальнейшем работы ряда отечественных и зарубежных специалистов показали, что полное сжатие пространства по всем трем направлениям невозможно. По одному из них оно непременно сменяется расширением, а с приближением к сингулярности должен наблюдаться т.н. отскок – общая смена сжатия расширением.

Физически гипотеза Большого взрыва также представляется во многом странной. Ни в каком ином случае наука не сталкивается с единичными сингулярностями и единичными процессами: все явления в природе носят множественный характер, что вытекает из диалектического закона единства и борьбы противоположностей. Далее: в состоянии сингулярности должно прекращаться действие всех физических законов (в т.ч., законов ОТО), в силу чего нельзя научно объяснить процесс порождения Вселенной. Непонятно также, почему скорость “разлетания” галактик пропорциональна их удалению от нас, как будто мы находимся в точке Большого взрыва. Неясно и само это возрастание скоростей: при взрыве и дальнейшем движении “осколков” по инерции так не бывает. Еще сложнее объяснить при таком подходе открытое в 2000 г. ускорение разлетания Вселенной.

Сама идея взрыва и разлетания осколков в пространстве вызывает ряд существенных проблем. Где , в каком месте происходит этот взрыв, куда разлетаются галактики? Ведь для них, с т. зр. ОТО, не существует никакого внешнего пространства, а до начала развития Вселенной вообще нет пространства для движения вещества. Судя по смещению спектральных линий, самые далекие из видимых галактик должны “улетать” друг от друга с относительными скоростями более 150000 км/с. Относительные скорости еще более удаленных, невидимых галактик должны бы приближаться к световой. А квазары (небольшие космические объекты, с мощным излучением в радиоволновом диапазоне) должны бы (судя по доплер-эффекту) удаляться от нас в 2,5-2,8 раз быстрее света, а их относительные скорости могут достигать почти 25 скоростей света! Если все эти массивные образования движутся в пространстве как “осколки” сингулярности, то их громадную кинетическую энергию ничем нельзя объяснить, а движение быстрее света вообще физически бессмысленно. Случай с квазарами пытались объяснить замедлением света в их сверхмощном поле тяготения, однако эта идея не оправдалась. Кроме того, гипотеза Большого взрыва не может объяснить само существование квазаров и крупномасштабное скручивание галактик.

Первый квазар был открыт еще в 1963 г., а как раз в 70-е гг. XX в. началась т.н. вторая революция в астрономии. Развитие радиотелескопов, рентгеновских и гамма-приборов превратило астрономию из оптической во всеволновую, а затем появились электронные детекторы, чувствительность которых почти на два порядка превышает лучшие фотопластины. Глубина и детальность исследования Вселенной неизмеримо возросли, были открыты и изучены многие тысячи новых галактик. Новая астрономия обнаружила, что в больших масштабах наша Вселенная выглядит весьма однородной. В целом она имеет как бы пористую структуру и напоминает кусок пемзы, пронизанный пустотами, а в срезе похожа на пчелиные соты. Нетрудно видеть сходство этой структуры с ячейками Бенара – одним из типичных примеров самоорганизации. Как и ячейки сот, ячейки (домены) Вселенной близки в плане к правильному шестиграннику; и как в сотах, вещество в них сосредоточено по краям, тогда как середина практически пуста. Масштаб этих доменов порядка сотен и тысяч парсек. Среди них есть т. н. черные области – быстро растущие домены, в которых еще нет галактик, и только у границ расширения возникает молекулярный водород. Все это гипотеза Большого взрыва может объяснить лишь искусственно и с натяжками, подобно тому, как геоцентрическая астрономия Птолемея объясняла видимые эволюции планет.

Но развитие космологии не остановилось на этой гипотезе. В 1980 г. А. Гут предложил “инфляционную” (от лат. inflatio – вздутие) модель развития Вселенной на его раннем этапе. Аналогичные взгляды развивал в 1983 г. А.Д. Линде. Согласно им, расширение вещества в первый момент (около 10^–30 с) идет несравненно быстрее (в 10⁵⁰ раз), чем предсказывала прежняя теория. Граница пространства движется в этот момент даже быстрее света, но тут нет противоречия с постулатами Эйнштейна. Дело в том, что это не движение вещества в пространстве и не передача в нем причинного взаимодействия между его частями. В этот момент само пространство быстро расширяется вместе с возникающим в нем веществом. Спустя немногие годы спутниковые эксперименты показали правильность данной теории. Сегодня она получила общее признание; однако, сама по себе она еще не решает вопрос о происхождении Вселенной.

Через несколько лет уже сам С. Хокинг, отказавшись от теории Большого взрыва, предложил новую общую космологическую гипотезу, – т.н. теорию инфляционной Вселенной . Согласно ей, наш мир возник и продолжает расширяться не благодаря единственному взрыву уникальной сингулярности, а путем “вздувания” многочисленных “пузырей” вакуума, – т.н. пены вакуума. Эти “пузыри” представляют собой весьма кратковременные (порядка 10^–15 с), но мощные нулевые флуктуации силовых полей в вакууме, который в этот момент находится в т.н. ложном состоянии. В целом эволюция Вселенной, согласно этой теории, напоминает процесс образования гирлянд и гроздей пузырьков пара внутри объема жидкости при кипении воды в заполненном закрытом сосуде. Допускает инфляционная теория и существование первого “пузырька”, появление которого инициировало весь дальнейший процесс, как первый пузырек пара вызывает кипение перегретой жидкости по всему ее объему. Но такой космический пузырек не имеет ничего общего с мистической “сингулярностью”.

Ряд проблем старой космологии снимается в этой теории признанием того, что не галактики разлетаются в непонятно какое пространство, а между ними создается новое пространство . Тогда понятны и ускоренное разбегание галактик, и наше положение как бы в центре Вселенной, и невероятные скорости удаления некоторых объектов. Появление нового пространства допустимо и в теории Большого взрыва; но по ее логике, при этом все тела должны пропорционально расширяться, чего в реальности не наблюдается. А инфляционная теория естественно объясняет расширение пространства возникновением новых доменов пространства из “пузырей вакуума”. Понятно, что эти домены не могут возникать со строго одинаковой интенсивностью во всех направлениях от наблюдателя. Тем самым выясняется причина отличия скоростей “разлетания” отдельных галактик от средней скорости, определяемой по закону Хаббла, более или менее точному только для скоплений галактик. Гипотеза Большого взрыва объяснить этого не могла, приходилось делать дополнительные предположения.

Обе рассматриваемые космологические концепции являются вариантами теории горячей Вселенной. Описание физической эволюции Вселенной в них различается только для первой неуловимо крошечной (10^–30 с) стадии формирования мира. Можно сказать, что инфляционная теория относится к теории Большого взрыва так же, как релятивистская и квантовая физика относятся к классической физике, т.е. – вбирает ее в себя, при внешне микроскопических, но принципиальных поправках (в методологии такое отношение известно как принцип соответствия Н. Бора). Именно эти поправки позволяют инфляционной теории естественным образом объяснять новые данные астрономии, а также убедительней предсказывать будущее. Старая гипотеза предсказывает неминуемую гибель Вселенной либо в результате непрерывного расширения (тепловая смерть), либо в результате катастрофического сжатия (т.н. страшный треск). А с т. зр. инфляционной модели, Вселенная может многократно переживать творческие состояния “повторной неустойчивости”.

На это обращал внимание, в частности, лидер синергетики Р. Пригожин. Он же отмечал, что без трактовки эволюции Вселенной как самоорганизации неравновесного вакуума нельзя объяснить, напр., преобладание вещества над антивеществом в нашей Вселенной. И с полным основанием можно сказать, что новая космологическая концепция – это синергетическая теория происхождения Вселенной . Развитие Вселенной предстает в ней не как нечто основанное на единичном чуде, а как нормальный процесс самоорганизации неравновесной среды по общим законам физики. Гипотеза Большого взрыва – продукт старой оптической и фотографической астрономии, типичный идейный конструкт эпохи неклассического естествознания. Теория инфляционной Вселенной – продукт современной всеволновой и электронной астрономии, одна из важных составных частей постнеклассической научной картины мира.

Как и в случае с эффектом ЭПР (который задолго до его “официального” признания применялся в расчетах под псевдонимом “обменное взаимодействие”), синергетический подход фактически давно используется в решении задач космологии. Еще в 1966 г. А.Д. Сахаров, построил космологическую модель исходя, фактически, из данной концепции. Но к идейному признанию такого подхода наука приблизилась только сегодня. Конечно, в науке еще действуют сторонники гипотезы Большого взрыва в ее традиционном облике. Принципиального решения физики ждут от исследований недавно открытого (в 1985 г.) тяжелого нейтрино, – т.н. 17–кэВ нейтрино, которое составляет около 3% всех электронных нейтрино. Если окажется, что время его жизни достаточно велико (10¹² с), теория Большого взрыва утратит право на существование, а если нет – конкуренция может продолжиться. Масса нейтрино активно исследуется, и недавно здесь получены новые интересные результаты, однако указанная проблема пока не решена.

Как раз благодаря своей проблемности, эта гипотеза Большого взрыва хорошо вписывается в неклассическую идеологию: ведь если что-то не объясняется естественными и объективными причинами, то тем самым расширяется место для мистики и субъективизма. Сторонники религии видят в Большом взрыве чудесный одноразовый акт сверхъестественного творения мира, напоминающий библейское писание. Субъективисты, в свою очередь, могут трактовать сингулярность и ее “взрыв” как простые условности, а сами неясности этой теории используют как “доказательство” того, что наше знание о Вселенной не может, якобы, пойти дальше удобных фикций. Все эти прекрасные возможности мифотворчества исчезают с переходом к синергетической трактовке эволюции Вселенной. Но даже сама гипотеза Большого взрыва при трезвом подходе может быть истолкована без обращения к сверхъестественному, на что указал еще в 1858 г. сам ее родитель Г. Леметр, – хотя он был высокопоставленным священником и президентом Ватиканской академии наук.

Тут мы сталкиваемся с любопытным явлением, опять-таки, идеологического характера. Дело в том, что выражение Большой взрыв – это неудачный перевод. Слово взрыв по-английски звучало бы explosion или (out)burst , а в оригинале мы имеем словосочетание Big Bang . Оно буквально означает сильный хлопок, сильный стук (точно так же прозваны всемирно известные часы с громким боем на башне Вестминстерского аббатства в Лондоне). Космологи привыкли относиться к этому словосочетанию, как к условно-образному обозначению быстрого расширения Вселенной. А собственно Большой взрыв сингулярности никогда не имел буквальной физико-математической интерпретации. Понятие сингулярности тоже никогда не имело полноценного научного статуса. Его нет ни в одной отечественной энциклопедии, а словари русского языка отсылают к научно-популярной литературе 70-х гг., когда гипотеза Большого взрыва переживала свой звездный час.

Как видим, развитие науки не обходится без казусов, особенно – в условиях давления на нее со стороны антинаучной идеологии. Приведем еще один пример такого рода. Некто В.Д. Плыкин Виктор Дмитриевич, д-р т. н., в те же романтические 70-е переоткрыл для себя автоволны и ячейки Бенара. Дальнейшие размышления логично привели его к осознанию сотовой структуры Вселенной и к критике гипотезы Большого взрыва. Феноменально, что еще в 1996 г., пропагандируя свои открытия, он ничего не знал о синергетике и не подозревал, что крупномасштабная структура Вселенной давно описывается в школьных учебниках астрономии. Открытия Плыкина потрясли его душу и привели его к вере в бога – как, якобы, распорядителя вселенской информации.

Адепты неклассической и/или прямо антинаучной идеологии ищут поводы к мистификации также в сфере методологических принципов космологии, – о чем и пойдет речь в следующем пункте лекции.

Рисунок 8

4. Антропный принцип в космологии и его версии

В космологии чаще всего невозможно поставить проверочный эксперимент: слишком велики масштабы изучаемых явлений. Наблюдения за процессами также не всегда дают нужный результат, т.к. длительность этих процессов порой в миллионы раз превышает время существования человечества. Поэтому здесь очень высока роль методологических принципов. К ним относится и т. н. антропный принцип (от греч. anthropos – человек). Считается, что он сформулирован в 1974 г. Б. Картером. Эта формулировка гласит: “То, что мы ожидаем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми для нашего существования как наблюдателей”. Но подобные идеи высказывались и прежде. Напр., в 1955 г. отечественный космолог А.Л. Зельманов фактически сформулировал тот же принцип в виде остроумного замечания: “мы являемся свидетелями процессов определенного типа потому, что процессы другого типа протекают без свидетелей”.

Есть разные версии (трактовки) антропного принципа, но в философском плане среди них выделяются версии слабая и сильная . “Слабая” версия рассматривает существование человека как логическую посылку суждений об исходных состояниях и возможных процессах во Вселенной, не придавая ему более широкого значения. Именно такая позиция и выражена в формулировках Картера и Зельманова, если понимать их буквально. Они просто требуют, чтобы при построении космологических гипотез учитывался факт существования познающего человека. Ничего необычного в таком требовании нет, нет в нем и ничего специально-космологического. Любая теория должна учитывать все наличные факты, в т. ч. – высшие результаты развития изучаемого предмета. Последнее особенно важно, т.к. в этих результатах наиболее полно раскрывается сущность вещей, их задатки и условия развития. Но с формальной стороны это не порождает какой-то специфичности. Речь идет, собственно, о рядовом случае применения логического закона контрапозиции: Если из А следует Б, то из не-Б следует не-А. Напр., если бы галактики сближались, то люди не могли бы существовать (из-за высокой радиации); но люди существуют, следовательно, галактики (как правило) не сближаются.

Но “сильная” версия трактует наше существование как онтологическую целевую предпосылку формирования Вселенной, т. е. как фундаментальное условие ее бытия и развития. У этой версии есть множество вариантов, так что ее общее понятие как бы расплывается. Идеологи вообще любят недостаточно определенные понятия, которые удобно приспосабливаются к любой нужной интерпретации (как в другом случае, напр., понятие цивилизации). Обычно сторонники сильной версии утверждают, что при малейшем отклонении фундаментальных физических констант от их современных значений существование жизни и людей стало бы невозможным. Напр., будь чуть выше константа тяготения, звезды обратились бы в “черные дыры” или стали бы, наоборот, недостаточно горячими. Если изменить константу сильного взаимодействия, цепочки ядерных реакций якобы не дойдут до углерода и азота, из которых построены живые тела. При изменении постоянной тонкой структуры атомы стали бы непрочными; и т. д. Но вероятность случайного выпадения нужных значений многих величин при таком их точечном подборе близка к нулю.

Отсюда делается вывод, что этот подбор осуществлялся сознательно и целенаправленно некоей “Суперсистемой”. Так рассуждает, напр., акад. Н.Н. Моисеев. Однако эти аргументы не выдерживают логической критики и научной проверки. С одной стороны, в бесконечном и вечном мире когда-то осуществляется любая вероятность, строго не равная нулю. С другой стороны, авторитетные космологи, в частности С. Хокинг, считают, что эти константы могли бы колебаться в достаточно широких пределах без утраты возможностей появления разума. Критику “сильной” версии антропного принципа дает также А.Д. Линде. Из других авторитетов космологии сошлемся на С. Вайнберга. Он, в частности, остроумно иронизирует: “Хотя наука и невозможна без ученых, совсем не ясно, что Вселенная невозможна без науки” (т.е. без наблюдателей. – В.С.).

С. Хокинг отмечает также, что антропный принцип в его сильной версии “направлен против хода всей истории науки”. Действительно: он никак не вытекает из данных космологии и не находят в ней никакого применения. Это не продукт научных заключений (хотя бы и ошибочных), а в чистом виде – плод идеологических спекуляций . В прошлом такие спекуляции порождались, отчасти, собственными идейными поисками и блужданиями неклассической науки. Однако в настоящее время они уже утратили опору в естествознании, и держатся только благодаря политической идеологии, пронизанной сегодня мистицизмом и недоверием к разуму.

Зато в своей рациональной, слабой версии антропный принцип является одним из ярких подтверждений самоорганизации как свойства всей, в т.ч. и неживой, материи; это также роднит современную космологию с синергетикой. А для рациональной диалектики антропный принцип, можно сказать, родная идея. Критикуя старый метафизический материализм, Ф. Энгельс подчеркивал, что материя приходит к появлению мыслящих существ не чисто случайно, а “в силу самой своей природы”. АК. Маркс писал: “Анатомия человека есть ключ к анатомии обезьяны”. Аналогично, существование человека есть ключ к пониманию этапов эволюции Вселенной, предшествующих появлению человека.

Не случись с марксизмом политический конфуз, сегодня наши идеологи наверняка провозглашали бы Маркса и Энгельса подлинными отцами антропного принципа. Но мы должны еще рассмотреть в этой лекции дискуссии, которые коренятся в действительно не решенных пока проблемах современной науки.

5. Дискуссии о метрике мироздания

Вопрос об эволюции Вселенной тесно связан с представлениями о метрике мироздания, т.е. о природе и свойствах пространства и времени в нашей Вселенной. В космологии Ньютона предполагалось, что пространство и время не зависят о вещества, повсюду эвклидовы, однородны и анизотропны. Согласно общей теории относительности, свойства пространства-времени задаются силами гравитации и зависят от массы и движения вещества в данной области. Иначе говоря, метрика мироздания определяется объективно . Поэтому она носит, вообще говоря, неэвклидов характер (хотя на удалении от крупных тяготеющих масс может рассматриваться практически как эвклидова).

Как мы уже знаем, Ньютон предполагал дальнодействие гравитации. Релятивистская теория тяготения в принципе безразлична к дальнодействию или близкодействию. Тем не менее, сам Эйнштейн формулировал ОТО в предположении, что тяготение распространяется со скоростью света. Некоторые авторы полагают, что без этого ограничения не удалось бы устранить противоречия ньютоновской теории тяготения. Кроме того, при допущении скорости распространения гравитации больше С оказывалось, что в некоторых областях гравитационного поля скорость движения вещества может быть тоже больше скорости света, что запрещено выводами СТО.

Сам Эйнштейн отмечал, что электромагнитные поля, в отличие от гравитационных, не выражают структурные свойства пространственно-временного континуума. Но если гравитация – близкодействующее поле, то оно, подобно другим полям, должно бы перемещаться в уже готовом пространстве. Но странно допускать, что некое поле готовит себе пространство до того, как само в нем перемещается. Значит, у близкодействующей гравитации не может быть привилегии на формирование метрики пространства. Поэтому ряд космологов отвергают эйнштейновское понимание метрики Вселенной.

Здесь особенно показательна т.н. релятивистская теория гравитации (сокращенно РТГ), разработанная акад. А.А. Логуновым (в прошлом – ректор Московского гос. ун-та). Согласно РТГ, выбор метрики при описании Вселенной имеет субъективный, условный характер. Можно пользоваться и представлениями Эйнштейна, но естественней принять наиболее простую, квазиэвклидову метрику (т.е. эвклидову с учетом взаимосвязи пространства и времени по Минковскому). А силы гравитации, согласно РТГ, просто накладываются на данную метрику, как при рассмотрении других близкодействующих полей. Эту идею высказал еще А. Пуанкаре, причем в тесной связи со своим принципом конвенциализма (в работе Наука и гипотеза, 1904). Он считал, что опыты по измерению пространства на самом деле относятся не к пространству, а к телам, а само пространство не имеет объективной метрики.

РТГ претендует, как видим, на более понятное и единообразное описание поведения тел в силовых полях. Но в конечном счете она усложняет картину мироздания, к тому же не дает принципиально новых предсказаний сравнительно с ОТО и содержит некоторые сомнительные моменты. В философском плане идея локальности гравитации ведет к еще более странным выводам. Если все силы в природе близкодействующие и ни одна из них не отвечает за метрику бытия, то естественно заключить, что сама метрика определяется не в масштабе Вселенной, а локально . Другими словами, пространство и время должны формироваться отношениями внутри каждой системы взаимодействующих тел. Отсюда вывод, что существуют, якобы, нефизические формы пространства и времени: особые химические, биологические, психологические, социальные, а также и более частные метрики.

Сторонники этой философски-релятивистской теории порой ссылаются на релятивистскую физику, однако последняя признает не качественную, а лишь чисто количественную (геометрическую) зависимость пространства и времени от вещества, и притом – только от количественных, а не качественных свойств самого вещества (размера его массы и скорости движения). Теория нефизической метрики часто спекулирует на нерешенных проблемах науки (напр., проблема неравновесности хиральных форм вещества в живой природе). Но ее фактическая база сводится к чисто субъективным доводам, напр. – что время “тянется”, когда нам скучно, и “бежит”, когда нам весело. Подобные аргументы не убеждают науку, зато такие воззрения хорошо вписываются в субъективистскую идеологию, – которая, как мы уже знаем, находила свои корни в неклассической науке и продолжает находить их в современном состоянии общества. Видимо, по этой причине спор между РТГ и ОТО волнует необычайно широкую аудиторию и является, в частности, одной из постоянных тем в физических телеконференциях USENET.

В последние десятилетия наука приносит новые аргументы в пользу исходного эйнштейновского понимания метрики Вселенной. Открытие в космосе “черных областей” (см. выше) эмпирически подтвердило вывод ОТО об образовании вещества из энергии гравитации, который многим космологам казался слишком смелым. Возникая из флуктуаций вакуума, сила тяготения как бы вытягивает из него вещество, из которого далее строит галактики. В пузырьках вакуума и “черных областях” еще почти нет вещества, но есть сильное гравитационное поле; зато в черных дырах уже нет вещества, но остается сверхсильное гравитационное поле. А недавно показано (Л.И. Харбедия, 1994), что можно обойтись без предположения о близкодействии гравитации, если разрешить, в определенных случаях, взаимное превращение оси времени и одной из осей пространства (что в принципе допускается теорией относительности).

Но чтобы избавиться от странных субъективистских теорий типа РТГ и нефизической метрики, видимо, следует признать дальнодействие гравитации. Однако этот вопрос требует более подробного обсуждения существа гравитации и затрагивает проблему единства сил природы. К нему обратимся вновь в начале следующей темы курса.

6. Первая космологическая модель-модель Эйнштейна

Первая космологическая модель была построена А. Эйнштейном в 1917 г. вскоре после создания им Общей теории относительности. Как и все тогда, он считал, что Вселенная должна быть стационарна, она не может направленно эволюционировать. Эта модель создавалась более чем за десять лет до открытия Э. Хаббла. А. Эйнштейн, по-видимому, ничего не знал о больших скоростях некоторых галактик, которые к тому времени уже были измерены. К тому же в то время не было еще надежных доказательств, что галактики — действительно далекие звездные системы. Излагая свою Модель, Эйнштейн писал: «Самое важное из всего, что вам известно из опыта о распределении материи, заключается в том, что относительные скорости звезд очень малы по сравнению со скоростью света. Поэтому я полагаю, что на первых порах в основу наших рассуждений можно положить следующее приближенное допущение: имеется координатная система, относительно которой материю можно рассматривать находящейся в течение продолжительного времени в покое».

Исходя из таких соображений, Эйнштейн ввел космическую силу отталкивания, которая делала мир стационарным. Эта сила универсальна: она зависит не от массы тел, а только от расстояния, их разделяющего. Ускорение, которое эта сила сообщает любым телам, разнесенным на расстояние, должно быть пропорционально расстоянию. Силы отталкивания, если они, конечно, существуют в природе, можно было бы обнаружить в достаточно точных лабораторных опытах. Однако малость величины делает задачу ее лабораторного обнаружения совершенно безнадежной. Действительно, это ускорение пропорционально расстоянию и в малых масштабах ничтожно. Легко подсчитать, что при свободном падении тела на поверхность Земли добавочное ускорение в 10³⁰ раз меньше самого ускорения свободного падения. Даже в масштабе Солнечной системы или всей нашей Галактики эти силы ничтожно малы по сравнению с силами тяготения.. Разумеется, это отталкивание никак не сказывается на движении тел Солнечной системы и может быть обнаружено только при исследовании движений самых отдаленных наблюдаемых галактик.

Так, в уравнениях тяготения Эйнштейна появилась космологическая постоянная, описывающая силы отталкивания вакуума. Действие этих сил столь же универсально, как и сил всемирного тяготения, т. е. оно не зависит от физической природы тела, на котором проявляется, поэтому логично назвать это действие гравитацией вакуума.

Через несколько лет после работы Эйнштейна, А. А. Фридманом была создана теория расширяющейся Вселенной. А. Эйнштейн сначала не соглашался с выводами советского математика, но потом полностью их признал.

После открытия Э. Хабблом расширения Вселенной какие-либо основания предполагать, что в природе существуют космические силы отталкивания, казалось бы отпали.

7. Космологические парадоксы

7.1. Фотометрический парадокс

Первая брешь в этой спокойной классической космологии была пробита еще

в XVIII в. В 1744 г. астрономом Р. Шезо, известный открытием необычной

«пятихвостой» кометы, высказал сомнение в пространственной бесконечности

Вселенной. В ту пору о существовании звездных систем и не подозревали,

поэтому рассуждения Шезо касались только звезд.

Если предположить, утверждал Шезо, что в бесконечной Вселенной

существует бесчисленное множество звезд и они распределены в пространстве

равномерно, то тогда по любому направлению взгляд земного наблюдателя

непременно натыкался бы на какую-нибудь звезду. Легко подсчитать, что

небосвод, сплошь усеянный звездами, имел бы такую поверхностную яркость,

что даже Солнце на его Фоне казалось бы черным пятном. Независимо от Шезо в

1823 г. к таким же выводам пришел известный немецкий астроном Ф. Ольберс.

Это парадоксальное утверждение получило в астрономии наименование

фотометрического парадокса Шезо-Ольберса. Таков был первый космологический

парадокс, поставивший под сомнение бесконечность Вселенной.

Устранить этот парадокс ученые пытались различными путями. Можно было

допустить, например, что звезды распределены в пространстве неравномерно.

Но тогда в некоторых направлениях на звездном небе было бы видно мало

звезд, а в других, если звезд бесчисленное множество, их совокупная яркость

создавала бы бесконечно яркие пятна, чего, как известно, нет.

Когда открыли, что межзвездное пространство не пусто, а заполнено

разреженными газово-пылевыми облаками, некоторые ученые стали считать, что

такие облака, поглощая свет звезд, делают их невидимыми для нас. Однако в

1938 г. академик В. Г. Фесенков доказал, что, поглотив свет звезд, газово-

пылевые туманности вновь переизлучают поглощенную ими энергию, а это не

избавляет нас от фотометрического парадокса.

7.2. Гравитационный парадокс

В конце XIX в. немецкий астроном К. Зеелигер обратил внимание и на

другой парадокс, неизбежно вытекающий из представлений о бесконечности

Вселенной. Он получил название гравитационного парадокса. Нетрудно

подсчитать, что в бесконечной Вселенной с равномерно распределенными в ней

телами сила тяготения со стороны всех тел Вселенной на данное тело

оказывается бесконечно большой или неопределенной. Результат зависит от

способа вычисления, причем относительные скорости небесных тел могли быть

бесконечно большими. Так как ничего похожего в космосе не наблюдается,

Зеелигер сделал вывод, что количество небесных тел ограничено, а значит,

Вселенная не бесконечна.

Эти космологические парадоксы оставались неразрешенными до двадцатых

годов нашего столетия, когда на смену классической космологии пришла теория

конечной и расширяющейся Вселенной.

7.3. Термодинамический парадокс

Мы уже говорили о началах термодинамики и некоторых выводах из них.

Мир полон энергии, которая подчиняется важнейшему закону природы - закону

сохранения энергии. При всех своих превращениях из одного вида в другой

энергия не исчезает и не возникает из ничего. Общее количество энергии

остается постоянным. Казалось бы, из этого закона неизбежно вытекает вечный

круговорот материи во Вселенной. В самом деле, если в Природе при всех

изменениях материи она не исчезает и не возникает из ничего, а лишь

переходит из одной формы существования в другую, то Вселенная вечна, и

материя, ее составляющая, пребывает в вечном круговороте. Таким образом,

погасшие звезды снова превращаются в источник света и тепла. Никто,

конечно, не знал. как это происходит, но убеждение в том, что Вселенная в

целом всегда одна и та же, было в прошлом веке почти всеобщим.

Тем неожиданнее прозвучал вывод из второго закона термодинамики,

открытого в прошлом веке англичанином У. Кельвином и немецким физиком Р.

Клаузиусом. При всех превращениях различные виды энергии в конечном счете

переходят в тепло, которое, будучи предоставлено себе, стремится к

состоянию термодинамического равновесия, то есть рассеивается в

пространстве. Так как такой процесс рассеяния тепла необратим, то рано или

поздно все звезды погаснут, все активные процессы в Природе прекратятся и

Вселенная превратится в мрачное замерзшее кладбище. Наступит «тепловая

смерть Вселенной».

Ошеломляющее впечатление, произведенное на естествоиспытателей

прошлого века вторым началом термодинамики, было особенно сильно еще и

потому, что вокруг себя, в окружающей нас Природе они не видели фактов, его

опровергающих. Наоборот, все, казалось, подтверждало мрачные прогнозы

Клаузиуса.

Конечно, есть в Природе и антиэнтропийные процессы, при которых

беспорядок, а значит, и энтропия уменьшаются. Таковы процессы, происходящие

в органическом мире, в человеческой деятельности. Но при более глубоком

рассмотрении ситуации всегда оказывается, что уменьшение беспорядка в одном

месте неизбежно сопровождается его увеличением в другом. Более того,

возникший по вине человека беспорядок значительно превышает тот порядок,

который он внес в Природу, так что, в конечном счете, энтропия и тут

продолжает расти. Встать на позицию Клаузиуса - это значит признать, что

Вселенная имела когда-то начало и неизбежно будет иметь конец.

Действительно, если бы в прошлом Вселенная существовала вечно, то в ней

давно наступило бы состояние тепловой смерти, а так как этого нет, то, по

убеждению Клаузиуса и многих других его современников, Вселенная была

сотворена сравнительно недавно. А в будущем, если не случится какое-нибудь

чудо, Вселенную ждет тепловая смерть.

На опровержение второго начала термодинамики были брошены силы всех

материалистически мыслящих ученых. Так, в 1895 г. Людвиг Больцман предложил

свою вероятностную трактовку второго начала. По его гипотезе, возрастание

энтропии происходит потому, что состояние беспорядка всегда более вероятно,

чем состояние порядка. Но это не означает, что процессы противоположного

характера, то есть самопроизвольные с уменьшением энтропии, абсолютно

невозможны. Они в принципе возможны, хотя и крайне маловероятны.

Всюду мы наблюдаем, как тепло от более горячего тела переходит к более

холодному. Однако в принципе возможно и другое: кусок льда, брошенный в

печь, увеличит ее жар. Не исключено и такое событие, что все молекулы

воздуха в нашей комнате соберутся вдруг в одном ее углу, а вы погибнете от

удушья в другом. Наконец, возможно, что обезьяна, посаженная за пишущую

машинку, случайно выстучит пальцем сонет Шекспира. Все эти события

возможны, но вероятность их близка к нулю. Такова же, по Больцману,

вероятность существования нас с вами.

Больцман не сомневался, что Вселенная бесконечна в пространстве и

времени. В основном и почти всегда она пребывает в состоянии тепловой

смерти. Однако иногда в некоторых ее районах возникают крайне маловероятные

отклонения (флуктуации) от обычного состояния Вселенной. К одной из них

принадлежит Земля и весь видимый нами космос. В целом же Вселенная -

безжизненный мертвый океан с некоторым количеством островков жизни.

Гипотеза Больцмана хотя и подвергла сомнению всеобщность и строгую

обязательность второго начала, не смогла удовлетворить оптимистически

мыслящих ученых. К тому же и расчеты показали, что вероятность

возникновения такой гигантской флуктуации в пространстве практически равна

нулю.

Были и другие попытки объяснить этот термодинамический парадокс, но

они так же не увенчались успехом.

Три космологических парадокса: фотометрический, гравитационный и

термодинамический - заставили ученых серьезно усомниться в бесконечности и

вечности Вселенной. Именно - они заставили А. Эйнштейна в 1917г. выступить

с гипотезой о конечной, но безграничной Вселенной.

Предположим, что вещество, составляющее планеты, звезды и звездные

системы, равномерно рассеяно по всему мировому пространству. Тем самым мы

допускаем, что Вселенная всюду однородна и к тому же изотропна, то есть во

всех направлениях имеет одинаковые свойства. Будем считать, что средняя

плотность вещества во Вселенной выше так называемой критической плотности.

Если все эти требования соблюдены, мировое пространство, как это доказал

Эйнштейн, замкнуто и представляет собой четырехмерную сферу, для которой

верна не привычная школьная геометрия Евклида, а геометрия Римана.

7.4. Неевклидовы геометрии

Мы привыкли, что в двухмерном пространстве, то есть на плоскости, есть

своя, присущая только плоскости геометрия. Так, сумма углов в любом

треугольнике равна 180°. Через точку, лежащую вне прямой, можно провести

только одну прямую, параллельную данной. Это - постулаты Евклидовой

геометрии. По аналогии предполагается, что и реальное трехмерное

пространство, в котором мы с вами существуем, есть евклидово пространство.

И все аксиомы плоскостной геометрии остаются верными и для пространства

трех измерений. Такой вывод на протяжении многих веков не подвергался

сомнению. Лишь в прошлом веке независимо друг от друга русский математик

Николай Лобачевский и немецкий математик Георг Риман усомнились в

общепризнанном мнении. Они доказали, что могут существовать и иные

геометрии, отличные от евклидовой, но столь же внутренне непротиворечивые.

Итак, пятый постулат Евклида утверждает, что через точку вне прямой

можно провести лишь одну прямую, параллельную данной. Логически рассуждая,

легко увидеть еще две возможности:

- через точку вне прямой нельзя провести ни одной прямой, параллельной

данной (постулат Римана);

- через точку вне прямой можно провести бесчисленное множество прямых,

параллельных данной (постулат Лобачевского).

На первый взгляда эти утверждения звучат абсурдно. На плоскости они и

в самом деле неверны. Но ведь могут существовать и иные поверхности, где

имеют место постулаты Римана и Лобачевского.

Представьте себе, например, поверхность сферы. На ней кратчайшее

расстояние между двумя точками, отсчитывается не по прямой, (на поверхности

сферы прямых нет), а по дуге большого круга (так называют окружности,

радиусы которых равны радиусу сферы). На земном шаре подобными кратчайшими,

или, как их называют, геодезическими, линиями служат меридианы. Все

меридианы, как известно, пересекаются в полюсах, и каждый из них можно

считать прямой, параллельной данному меридиану. На сфере выполняется своя,

сферическая геометрия, в которой верно утверждение: сумма углов

треугольника всегда больше 180°. Представьте себе на сфере треугольник,

образованный двумя меридианами и дугой экватора. Углы между меридианами и

экватором равны 90°, а к их сумме прибавляется угол между меридианами с

вершиной в полюсе. На сфере, таким образом, нет непересекающихся прямых.

Существуют и такие поверхности, для которых оказывается верным

постулат Лобачевского. К ним относится, например, седловидная поверхность,

которая называется псевдосферой. На ней сумма углов треугольника меньше

180°, и невозможно провести ни одной прямой, параллельной данной.

После того, как Риман и Лобачевский доказали внутреннюю

непротиворечивость своих геометрий, возникли законные сомнения в евклидовом

характере реального трехмерного пространства. Не является ли оно

искривленном наподобие сферы или псевдосферы? Конечно, наглядно представить

себе искривленность трехмерного пространства невозможно. Можно лишь

рассуждать по аналогии. Поэтому, если реальное пространство не евклидово, а

сферическое, не следует воображать его себе в виде некоторой обычной сферы.

Сферическое пространство есть сфера, но сфера четырехмерная, не поддающаяся

наглядному представлению. По аналогии можно сделать вывод, что объем такого

пространства конечен, как конечна поверхность любого шара - ее можно

выразить конечным числом квадратных сантиметров. Поверхность всякой

четырехмерной сферы также выражается в конечном количестве кубометров.

Такое сферическое пространство не имеет границ и в этом смысле -

безгранично. Летя в таком пространстве по одному направлению, мы в конце

концов вернемся в исходную точку. Так же и муха, ползущая по поверхности

шара, нигде не найдет границ. В этом смысле и поверхность любого шара

безгранична, хотя и конечна. То есть безграничность и бесконечность -

разные понятия.

8. Кризис современной космологии

Представляется, что в понятии космологической сингулярности скрыты, по меньшей мере, три проблемы, решение которых потребует изменения научной картины мира в целом (Г.В.Гивишвили).

Во-первых, при обсуждении свойств сингулярности упор делают, главным образом, на то, что материя была в сверхплотном и сверхгорячем состоянии. При этом часто упускают из виду полное отсутствие пространства-времени, что фактически равнозначно принципиальному отрицанию всего сущего, абсолютному (безотносительно чего бы то ни было) ничто. Но ведь все физические теории объединяет одно, не знающее исключений правило: они предназначены для описания различного рода взаимодействий между частицами и излучением в сопутствующем им пространстве-времени. ТБВ обязывает нас рассматривать возникновение материи-пространства-времени из абсолютного ничто, причем этот процесс единичен, уникален, а значит, никакое его описание не может считаться строго доказательным: теория в принципе непроверяема, поскольку результат ее предсказания невоспроизводим.

Во-вторых, густым туманом окутано происхождение космологической сингулярности. Кажется очевидным, что, коль скоро современное состояние Вселенной преходяще, то и прошлое ее должно быть преходящим, то есть, если фазе расширения предшествовало состояние сингулярности, то оно, в свою очередь, предварялось фазой образования этой сингулярности.

В-третьих, ТБВ не дает ответа на вопрос о причине Большого Взрыва. Она описывает события, происходящие в процессе уже расширяющейся Вселенной, но проблема нарушения сингулярности («первотолчка») повисает в воздухе, она попросту не рассматривается. Трудность здесь в том, что ни одно из известных фундаментальных взаимодействий не в состоянии преодолеть силы гравитационного сжатия, возникающие при бесконечно большой плотности вещества-излучения.

Важно, что в теории сингулярность возникает не из-за неадекватности математических уравнений или некорректности задания граничных условий. Она представляет собой неотъемлемое свойство любой физической модели конечной нестационарной Вселенной. А между тем, вопреки выводам теории, мы существуем.

Как увязать очевидность бытия Вселенной с отрицанием возможности этого бытия, следующим из теории? По-видимому, нельзя переносить представления о видимой части Вселенной на всю Вселенную. Иначе говоря, нужно признать, что наша конечная, нестационарная вселенная (тогда уже маленькой буквы) представляет собой лишь один из элементов Большой бесконечной Вселенной (с заглавной буквы).

Еще в начале века С.Шарлье предложил модель иерархической Большой Вселенной, в которой малые вселенные распределены как изюминки в пудинге. Трудности современной космологии дают основание вернуться к ней, разумеется, с позиций нового знания. Суть в том, чтобы рассматривать нестационарные отдельные малые вселенные как преходящие элементы вечной и неизменной Большой Вселенной. Но при бесконечно большом объеме Вселенной движение ее как единой системы невозможно. Поэтому бесконечность ее бытия достигается через несвязанные между собой движения локальных масс в составляющих ее вселенных, и вся наша видимая вселенная – лишь одна из них.

Нестационарность вселенных обрекает их на «смертность». Понятие «жизнь» по отношению к ним означает динамическое развитие по определенной программе как целого, а «смерть» – их распад. (Отношения между Большой и малыми вселенными в известном смысле подобны взаимоотношениям сообществ организмов и отдельных особей: бессмертие первых реализуется через смертность вторых.)

Модель Большого Взрыва в первом приближении достаточна для описания эволюции «типичной» вселенной в фазе ее расширения. Но для изучения процессов на масштабах, намного превышающих размеры и время жизни одной такой вселенной, видимо, нужна новая теория. Она должна была бы учитывать тот факт, что отдельная вселенная проявляется как локальная флуктуация кривизны пространства, «евклидовой лишь в среднем».

9. Будущее точной космологии

Спросите, что является самым большим научным триумфом нашего поколения – и где-то в начале списка с ответами будет стоять учреждение «точной космологии». Только в прошлом десятилетии астрономы, работающие по специальности космологии, с высокой точностью определили такие вещи, как дата Большого взрыва, количественный состав вселенной, крупномасштабные объекты в космосе, и как структура космоса (группы галактик, кластеров, звезд) росла и развивалась от самого начала к нашим дням, и почему.

Попутно исследователи подтвердили некоторые ключевые предсказания инфляционной модели вселенной, теории о том, как из сингулярной «протовселенной» (Вселенной в начальный момент Большого Взрыва, характеризующееся бесконечной плотностью и температурой вещества) произошёл Большой взрыв, который мог бы происходить бесконечное число раз, отделяя все время всё новые вселенные «Большого Взрыва».

Это стало возможным благодаря не обычной астрономии, а анализу космического микроволнового фонового излучения, которое покрывает все небо. Это слабое электромагнитное излучение, буквально белый свет, испускаемый все еще белой горячей вселенной, какой она была спустя 380 тысяч лет после Большого взрыва. Свет из за расширения вселенной подвергся красному смещению в микроволновую часть спектра (с масштабным фактором 1,091)

Спектр мощности угловых распределений флуктуаций реликтового фонового излучения по данным зонда WMAP и некоторых других экспериментов. По вертикали отложена амплитуда флуктуаций, по горизонтали угловой масштаб. Большие объекты соответственно расположены слева, маленькие справа.

Самые сильные флуктуации появляются приблизительно при угловом масштабе в 1 градус - большой первый пик на графике. Это означает, что существовала определённая длина для акустических волн космических размеров (волны давления) в плотной ранней вселенной. Точные положения и размеры первого, второго, и третьего акустического пиков говорят о различных условиях, преобладающих в ранней вселенной.

Черные точки — наблюдательные данные, красная линия — предсказания теоретической модели для плоской Вселенной, лучше всего согласующиеся с наблюдениями, серая полоса — допустимая ошибка теоретических предсказаний.

Множества экспериментов нанесли на карту крошечные, сигнальные флуктуации микроволнового фона; эти проекты работали с различным масштабом и указывали на различные части неба. Но самый важный инструмент, выполняющий теперь эту работу – орбитальная обсерватория WMAP («Wilkinson Microwave Anisotropy Probe»). Она наносит на карту температуру фонового излучения и поляризацию по всей небесной сферы, и в широком разнообразии угловых масштабов: от большого (большие углы, размер

созвездия) к маленькому (почти на грани разрешения человеческого глаза).

Со временем, WMAP продолжала уточнять свои результаты.

Публикации по материалам первого года его существования, в 2003 году, установили вехи в точной космологии, в том числе определил возраст вселенной в 13.7 миллиардам лет с погрешностью в несколько процентов, и подтвердил существование недавно обнаруженной темной энергии, которая ускоряет расширение скорости вселенной.

Отчёт за три года, в 2006 году, подтвердил, что первые результаты были правильны, уточнил некоторые числа, и обнаружил новые условия, как космическое расширение, возможно, вело себя приблизительно в течение первых 10–32 секунд Большого взрыва.

9.1. Новая большая картина

И только в этом году научная команда, анализирующая данные WMAP, опубликовала очень ожидаемые полученные данные за пять лет вместе с их пояснениями. И снова дополнительные данные (и лучшая долгосрочная калибровка инструментов) значительно уточнили картину и, в результате, привели к новым заключениям.

В следующих результатах данные WMAP скомбинированы с другими недавними астрономическими измерениями:

вселенной 13.73 ± 0.12 миллиарда лет. Теперь погрешность всего 0.9 % теперь (степень доверия данным 68%). Книги по астрономии в общественной библиотеке говорят обычно, что возраст вселенной - между 10 и 20 миллиардами лет.

Постоянная Хаббла, норма расширения вселенной сегодня (коэффициент, входящий в закон Хаббла, который связывает расстояние до внегалактического объекта (галактики, квазара) со скоростью его удаления), равна 70.1 ± 1.3 м/с на мегапарсек. Книги в вашей библиотеке вероятно говорят, что она - между 50 и 100.

Все что было во вселенной, теперь значительно изменилось. Верхняя диаграмма показывает соотношение элементов сегодня. Нижняя показывает соотношение состава спустя всего 380 000 лет после Большого Взрыва, когда вселенная была прозрачной и микроволновое фоновое излучение, вырвалось на свободу.

Относительный состав изменяется с расширением вселенной. Количество темной и барионной материи (материя, состоящая из барионов: нейтронов, протонов, электронов) сокращается, тогда как их пространство расширяется, совсем как обычные газы. Но фотоны и нейтрино также теряют энергию из за расширения вселенной, их энергия уменьшается значительно быстрее, чем материя. Теперь они - незначащая часть.

Тем временем, пропорция темной энергии увеличиваются непосредственно с увеличивающимся объемом свободного пространства показывая, что она является непосредственно частью пространства-времени, вместо того, чтобы быть небольшим количеством вещества, существующем в космосе.

Эти данные затрагивают другие темы. Например:

Вселенная состоит из следующих компонентов: материя состояшая из атомов (барионная материя) 4.6% ± 0.15%, не барионная темная материя 23% ± 1%, темная энергия % ± 1.5%. Мы не знаем почти ничто о том, как выглядит темная материя и темная энергия, но мы действительно очень хорошо знаем теперь, сколько их всего.

Вся эта энергия и материя подсчитана, с 1%-ой погрешностью, то есть достаточной, согласно теории инфляционной вселенной, для того чтобы сделать вселенную плоской. Таким образом, пустое место в масштабе вселенной похоже на обычное место прямо перед вами: никакого искривления или сверхъестественной геометрии. Это также подразумевает, что

космос простирается бесконечно далеко вне нашего видимого горизонта, одинаковый во всех измерениях.

Поведение таинственной темной энергии становится более ясным. Его «уравнение состояния», параметр, известный как w,

равняется –1 с точностью 6%. Это - лучшее определение. Это подразумевает, что темная энергия – это не нечто распространяющееся из за расширения вселенной, как частицы в космосе, но нечто непосредственно врожденное в пространстве-времени так, что один кубический сантиметр космоса всегда содержит то же самое количество этой энергии независимо от расширения вселенной. Это соответствует идее Альберта Эйнштейна относительно космологической постоянной в 1920-ых (обозначаемой буквой греческого алфавита Лямбда) и приводит доводы против теории темной энергии, которая является своего рода физическим веществом, которая была предложена, дублируя термие

квинтэссенция. Это также означает, что звезды вселенной, планеты, и атомы не будут разлучены через миллиарды лет безудержным увеличением космического ускорения, ситуация, названная Большим Разрывом.

В первые моменты Большого взрыва, микроскопические квантовые колебания — маленькие случайные флуктуации, которые раздулись, чтобы стать семенами космической структуры сегодня — действительно, кажутся, случайными во всех масштабах, как и предсказывала теория инфляции — вместо того, чтобы быть сформированными или направленными некоторыми дополнительными процессами. Однако, есть несколько намеков чего-то всё еще продолжающегося прямо на текущем краю неопределённости.

Упрощённая космическая история. Крайне левое часть изображает Большой взрыв. Самый ранний момент, который мы можем сейчас исследовать, когда чрезвычайно малый момент расширения произвел взрыв экспоненциального роста во вселенной. (Размер отображается здесь вертикальным размер.) В течение следующих нескольких миллиардов лет, расширение вселенной, постепенно замедлялось так как материя сдерживалась гравитационными силами. Позже, расширение начало убыстряться — поскольку отталкивающая сила темной энергии возросла настолько, что она превосходит силы гравитации по мере уменьшении материи.

Современный микроволновый фон (зеленая поверхность в левой стороне) вырвался на свободу спустя 380 000 лет после начала расширения, когда материал во вселенной расредоточился и охладился достаточно, чтобы стать прозрачным. Это излучение свободно пересекло вселенную. Условия очень ранних времен отпечатаны в этом излучении.

Некоторые версии космической инфляции теперь забыты. Другие получили новую поддержку. Новые данные WMAP исключают много господствующих идей, которые стремились описать взрыв роста в ранней вселенной, объясняет основной исследователь WMAP Чарльз Беннетт (Charles Bennett) (Johns Hopkins University). Удивительно, что смелые предсказания событий в первые моменты вселенной теперь можно объединить с реальными измерениями. WMAP также обнаружил конкретное свидетельство космического фона нейтрино заполняющего космос. Нейтрино (слабые, лёгкие частицы) появились в результате ядерных реакций в плотный материи, которая заполнила вселенную спустя несколько минут после Большого Взрыва. Во время видимого микроволнового фона, 380 000 лет спустя, нейтрино все еще составляли 10 % всей материи и энергии во вселенной, по сравнению с их уничтожительно маленькой пропорцией сегодня.

Кроме того, согласно лабораторным экспериментам, все три существующих типа нейтрино имеют массы, которые могут составить в целом не больше чем 0.61 электронных вольт.

Космическое средневековье - эра между тем, когда Большой взрыв охладился и первыми сформированные звездами (эра, когда вселенная стала настолько холодной, что возможно сформировывались снежинки из молекул водорода) - начала заканчивать в 400 миллионов лет (красное смещение равно 11). Это изменение известно как эра переионизации. Дата сходится со данными, полученными более нормальными астрономическими методами. (Переионизация очевидно была, однако, долгим делом, происходя урывками в различных местах.)

Пятилетние результаты работы WMAP были опубликованы в семи научных статьях, в журнале Astrophysical Journal.

Кроме того, НАСА выпустило резюме.

«Мы живем в экстраординарное время,» рассказывает Гэри Хиншоу (Gary Hinshaw) (центр космических полетов доктора Годдарда). «Наше поколение - первое в человеческой истории, которое сняло такие детальные и далеко идущие мерки нашей вселенной.»

9.2. Современные представления о теории Большого взрыва

По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,7 ± 0,2 миллиарда лет назад из некоторого начального «сингулярного» состояния с гигантскими температурой и плотностью и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Ранняя вселенная представляла собой однородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам.

Приблизительно после 1035 секунд после наступления Планковской Эпохи фазовый переход вызвал экспоненциальное расширение Вселенной. Данный период получил название Космической инфляции. После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. По прошествии времени, темепература упала до значений, при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как — протоны и нейтроны. При этом, одновременно происходило ассиметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в излучение.

Дальнейшее падение температуры привело к следующему фазовому переходу — образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме. После чего наступила эпоха нуклеосинтеза, при которой протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и еще нескольких легких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода (до этого процессы ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в равновесии).

После эры рекомбинации материя стала прозрачной для излучения, которое, свободно распространяясь в пространстве, дошло до нас в виде реликтового излучения.

10. Дальнейшая эволюция Вселенной

Согласно теории Большого взрыва, дальнейшая эволюция зависит от измеримого экспериментально параметра — средней плотности вещества в современной Вселенной. Если плотность не превосходит некоторого (известного из теории) критического значения, Вселенная будет расширяться вечно, если же плотность больше критической, то процесс расширения когда-нибудь остановится и начнется обратная фаза сжатия, возвращающая к исходному сингулярному состоянию. Современные экспериментальные данные относительно величины средней плотности еще недостаточно надежны, чтобы сделать однозначный выбор между двумя вариантами будущего Вселенной.

Есть ряд вопросов, на которые теория Большого взрыва ответить пока не может, однако основные ее положения обоснованы надежными экспериментальными данными, а современный уровень теоретической физики позволяет вполне достоверно описать эволюцию такой системы во времени, за исключением самого начального этапа — порядка сотой доли секунды от «начала мира». Для теории важно, что эта неопределенность на начальном этапе фактически оказывается несущественной, поскольку образующееся после прохождения данного этапа состояние Вселенной и его последующую эволюцию можно описать вполне достоверно.

Заключение

Релятивистская Космология объясняет наблюдаемое современное состояние Вселенной, она предсказала неизвестные ранее явления. Но развитие Космологии поставило и ряд новых, крайне трудных проблем, которые ещё не решены. Так, для изучения состояния вещества с плотностями, намного порядков выше ядерной плотности, нужна совершенно новая физическая теория (предположительно, некий синтез существующей теории тяготения и квантовой теории), Для исследований же состояния вещества при бесконечной плотности (и бесконечной кривизне пространства - времени) пока нет даже надлежащих математических средств. Кроме всего прочего, в такой ситуации должна нарушаться непрерывность времени и вопрос о том, что было «до» t = 0 применительно к обычному (метрическому) понятию времени, лишён смысла; необходимо то или иное обобщённое понятие времени. В решении этой группы проблем делаются лишь первые шаги.

По мере развития теории, а также средств и методов наблюдений будет уточняться само понятие космологической Вселенной. В рамках современной Космологии довольно естественно считать Метагалактику единственной. Но вопросы топологии пространства - времени разработаны ещё недостаточно для того, чтобы составить представление о всех возможностях, которые могут быть реализованы в природе. Это надо иметь в виду, в частности, и в связи с проблемой возраста Вселенной.

Не исключено, что столь же трудно будет объяснить зарядовую асимметрию во Вселенной: в нашем космическом окружении (во всяком случае, в пределах Солнечной системы, а вероятно, и в пределах всей Галактики) имеет место подавляющее количественное преобладание вещества над антивеществом. Между тем, согласно современным теоретическим представлениям, вещество и антивещество совершенно равноправны. Космология пока не даёт достаточно убедительного объяснения такого противоречия.

Пока нет также убедительной теории возникновения звёзд и галактик (пограничная проблема Космология и космогонии). Эта проблема по меньшей мере столь же трудна, как и др. фундаментальные проблемы возникновения в современной науке (возникновения планет, возникновения жизни). Существует и ряд др. нерешённых проблем Космологии.

В 2011 году были произведены научные чтения памяти К.Э.Циолковского. В одном из докладов, на тему «О СТРАТЕГИИ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОСМОСА В XXI ВЕКЕ В ПАРАДИГМЕ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ», было отмечено что получение новых знаний о Солнечной системе, Галактике и Вселенной, создание потенциала и условий для их освоения является одним из важнейших пунктов развития космической деятельности.

Космология таит в себе еще множество тайн, но я искренне надеюсь, что в скором времени человек сможет постичь их все.

Список используемой литературы

Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. – М.: Наука, 1990.
Наблюдательные основы космологии. Сб., М., 1965
Большая советская энциклопедия

4. Карпенков С.Х., Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. М. 2003 г.

Bondi H. Cosmology. Cambridge, 1960.
А. Эйнштейн. Кинетическая теория теплового равновесия и второго начала термодинамики. Собрание научных трудов. Т. III. М., Наука, 1966)
Турсунов А. Философия и современная космология. М., 1977. 221с.
http://cosmo.irk.ru/index.html создание сайта в 2001 году. Последние обновление в 2011 г.
http://readings.gmik.ru/show/readings последние обновление в 2010 году.
http://nasha-vselennaia.ru/?p=1654 последнее обновление в 2010 году.

Скачать архив с текстом документа