Модель расширяющейся или пульсирующей Вселенной1. Модель расширяющейся Вселенной Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности: 1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно и прямолинейно, движутся эти системы друг относительно друга; 2) экспериментально подтвержденным постоянством скорости света. Из принятия теории относительности вытекало в качестве – следствия (первым это заметил петроградский физик и математик Александр Александрович Фридман в 1922 году), что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. На этот вывод не было обращено внимания, вплоть до открытия американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения». Красное смещение – это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн. Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т.е. о расширении Метагалактики – видимой части Вселенной. Красное смещение надежно подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении, по меньшей мере, нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой. Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом Взрыве, происшедшем где-то примерно 12 – 18 млрд. лет назад. «Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы» (Вейнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. М., 1981, с. 30). Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Горючесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 году реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной. Возникает интересный вопрос: из чего же образовалась Вселенная? Чем было то, из чего она возникла. В Библии утверждается, что Бог создал все из ничего. Зная, что в классической науке сформулированы законы сохранения материи и энергии, религиозные философы спорили о том, что значит библейское «ничего», и некоторые в угоду науке полагали, что под ничем имеется в виду первоначальный материальный хаос, упорядоченный Богом. Как это ни удивительно, современная наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что все могло создаться из ничего. «Ничего» в научной терминологии называется вакуумом. Вакуум, который физика XIX века считала пустотой, по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях «рождать» вещественные частицы. Современная квантовая механика допускает (это не противоречит теории), что вакуум может приходить в «возбужденное состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) вещество. Рождение Вселенной «из ничего» означает, с современной научной точки зрения, ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация. Если число фотонов равно нулю, то напряженность поля не имеет определенного значения (по «принципу неопределенности» Гейзенберга): поле постоянно испытывает флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряженности равно нулю. Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах. Итак, Вселенная могла образоваться из «ничего», т.е. из «возбужденного вакуума». Такая гипотеза, конечно, не является решающим подтверждением существования Бога. Ведь все это могло произойти в соответствии с законами физики естественным путем без вмешательства извне каких-либо идеальных сущностей. И в этом случае научные гипотезы не подтверждают и не опровергают религиозные догмы, которые лежат по ту сторону эмпирически подтверждаемого и опровергаемого естествознания. На этом удивительное в современной физике не кончается. Отвечая на просьбу журналиста изложить суть теории относительности в одной фразе, Эйнштейн сказал: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время». Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени. Отметим, что теория относительности соответствует двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства-времени отрицательна или в пределах равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна положительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относительности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной. Досужий ум неизбежно задается вопросами: что же было тогда, когда не было ничего, и что находится за пределами расширения. Первый вопрос, очевидно, противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Астроном может сказать, что как ученый он не вправе отвечать на такие вопросы. Но поскольку они все же возникают, формулируются и возможные обоснования ответов, которые являются не столько научными, сколько натурфилософскими. Так, проводится различие между терминами «бесконечный» и «безграничный». Примером бесконечности, которая не безгранична, служит поверхность Земли: мы можем идти по ней бесконечно долго, но тем не менее она ограничена атмосферой сверху и земной корой снизу. Вселенная также может быть бесконечной, но ограниченной. С другой стороны, известна точка зрения, в соответствии с которой в материальном мире не может быть ничего бесконечного, потому что он развивается в виде конечных систем с петлями обратной связи, которыми эти системы создаются в процессе преобразования среды. Но оставим эти соображения области натурфилософии, потому что в естествознании в конечном счете критерием истины являются не абстрактные соображения, а эмпирическая проверка гипотез. Что же было после Большого Взрыва? Образовался сгусток плазмы – состояния, в котором находятся элементарные частицы нечто среднее между твердым и жидким состоянием, который и начал расширяться все больше и больше под действием взрывной волны. Через 0,01 сек. после начала Большого Взрыва во Вселенной появилась смесь легких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия). Как образовались все остальные химические элементы? Вселенная – самая крупная материальная система. Ее происхождение интересует людей еще с древних времен. В начале Вселенная была «безвидна и пуста», – так сказано в Библии. В начале был вакуум – уточняют современные физики. Каковы истоки происхождения Вселенной? Как она развивается? Какова ее структура? На эти и другие вопросы пытались ответить ученые разных времен. Однако даже крупнейшие достижения естествознания XX в. не позволяют дать исчерпывающие ответы. В этой связи нельзя не вспомнить строки известного поэта М. Волошина: «Мы, возводя соборы космогонии, Не внешний в них отображаем мир, А только грани нашего незнания». Тем не менее, принято считать, что основные положения современной космологии – науки о строении и эволюции Вселенной – начали формироваться после создания в 1917 году А. Эйнштейном первой релятивистской модели, основанной на теории гравитации и претендовавшей на описание всей Вселенной. Данная модель характеризовала стационарное состояние Вселенной и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной. Важный шаг в решении космологических проблем сделал в 1922 году профессор Петроградского университета А.А. Фридман (1888 – 1925). В результате решения космологических уравнений он пришел к выводу: Вселенная не может находиться в стационарном состоянии – она должна расширяться либо сужаться. Следующий шаг был сделан в 1924 г., когда в обсерватории Маунт Вилсон в Калифорнии американский астроном Э. Хаббл (1889 – 1953) измерил расстояние до ближайших галактик (в то время называемых туманностями) и тем самым открыл мир галактик. В 1929 гогду в той же обсерватории Э. Хаббл по красному смещению линий в спектре излучения галактик экспериментально подтвердил теоретический вывод А.А. Фридмана о расширении Вселенной и установил эмпирический закон – закон Хаббла: скорость удаления галактики V прямо пропорциональна расстоянию до нее, т.е.: V=Hr, Где Н – постоянная Хаббла. С течением времени постоянная Хаббла постепенно уменьшается – разбегание галактик замедляется. Но такое уменьшение за наблюдаемый промежуток времени ничтожно мало. Обратной величиной постоянной Хаббла определяется время жизни (возраст) Вселенной. Из результатов наблюдения следует, что скорость разбегания галактик увеличивается примерно на 75 км/с на каждый миллион парсек (1 парсек равен 3,3 светового года; световой год – это расстояние, проходимое светом в вакууме за 1 земной год). При данной скорости экстраполяция к прошлому приводит к выводу: возраст Вселенной составляет около 15 млрд лет, а это означает, что вся Вселенная 15 млрд. лет назад была сосредоточена в очень маленькой области. Предполагается, что в то время плотность вещества Вселенной была не меньше плотности атомного ядра, и вся Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю. По каким-то причинам ядерная капля оказалась в неустойчивом состоянии и взорвалась. Это предположение лежит в основе концепции большого взрыва. Общее расширение между тем продолжается. Фотоны остаются равномерно распределенными в пространстве и до настоящего времени. Они-то и образуют уже упоминавшийся выше космический фон радиоизлучения – реликтовое излучение. Атомы же, наряду с общим расширением, образуют местные “сгущения” – звезды, квазары, галактики, скопления галактик. Тяжелые элементы рождаются позже – в процессах ядерного горения в звездах. 2 Гипотеза пульсирующей вселенной Согласно утверждению физика Роберта Дика из Принстона, бесконечное количество таких циклов расширения и сжатия Вселенной сможет "освободить нас от необходимости понимания происхождения материи на любом конечном отрезке времени в прошлом". Понятие акта сотворения становится не относящимся к делу, а наше существование может быть отнесено за счет одного удачного скачка. В конце концов, при условии бесконечного количества космических скачков, рано или поздно возникнут условия, необходимые для превращения частиц и атомов в человеческие существа. В модели пульсирующей Вселенной, предложенной такими физиками, как Роберт Дик и Джон Гриббин, во Вселенной происходит бесконечная смена фаз расширения и сжатия. Гравитация тормозит расширение и приводит к последующей фазе сжатия. Предполагается, что какой-то неизвестный физический механизм каким-то образом заставляет Вселенную проскочить фазу сжатия и перейти к расширению. Считается, что характеристики фаз сжатия и расширения во времени существенно не изменяются. В 1965 году, когда модель пульсирующей Вселенной была впервые представлена как серьезная теория, многие астрономы пустились на поиски того количества массы, которое могло бы остановить и повернуть вспять расширение Вселенной. Однако и результаты наблюдений, и теоретические изыскания свидетельствовали (и продолжают свидетельствовать) о противоположном. Даже принимая во внимание новые открытия, связанные с экзотической матери ей, общей массы все-таки недостает для запуска пульсационного механизма. Модель пульсирующей вселенной активно разрабатывалась и известным ученым Чижевским. Чижевский убедил научный мир в том, что космические факторы должны быть учитываемы в развитии природы, в движении материи любого уровня. Уместно было бы сравнить нашего соотечественника с Николаем Коперником. Если фромборгский каноник "заставил" Землю вращаться вокруг Солнца, то Чижевский ход всего живого на Земле - от одноклеточных организмов до биосферы в целом - связал с солнечной динамикой, которая в свою очередь пульсирует в ритмах Вселенной. Другой известный ученый академик М.А. Марков выдвинул интересный вариант пульсирующей Вселенной. В логической рамке этой космологической модели старые теоретические трудности, если не решаются окончательно, то, по крайней мере, освещаются под новым перспективным углом зрения. Модель основана на гипотезе согласно которой при резком уменьшении расстояния константы всех физических взаимодействий стремятся к нулю. Данное предположение – следствие другого допущения, согласно которому константа гравитационного взаимодействия зависит от степени плотности вещества. Согласно теории Маркова, всякий раз, когда Вселенная из фридмановской стадии (конечное сжатие) переходит в стадию деситтеровскую (начальное расширение), ее физико-геометрические характеристики оказываются одними и теми же. Марков считает, что этого условия вполне достаточно для преодоления классического затруднения на пути физической реализации вечно осциллирующей Вселенной. +В целом, теории "бесконечно пульсирующей Вселенной", опирающиеся на общую теорию относительности. Они снимают вопрос о возникновении Вселенной и утверждают, что Вселенная не возникает, она существует вечно. Одним из видов такой модели является теория "пульсирующей Вселенной с обращением хода времени" английского астрофизика П. Девиса. Вселенная расширяется и сжимается до сингулярности, и в начале очередного цикла время обращается, поворачивает вспять, прошлое становится будущим, а будущее – прошлым, поэтому сама проблема начала лишается смысла, модели с бесконечно пульсирующей Вселенной встречаются с теоретической трудностью, которая в философском смысле сводится к тому, что не существует абсолютно тождественного повторения, каждое тождество содержит в себе и развивается в различие, и повторяющиеся циклы расширения и сжатия должны приводить к прогрессирующим изменениям. Это значит, что с каждым циклом, утверждает С. Вайнберг, "отношение числа фотонов к числу ядерных частиц или, более точно, энтропия на ядерную частицу" должно возрастать. "Сейчас это отношение велико, но не бесконечно, так что трудно увидеть, каким образом могла Вселенная испытать перед этим бесконечное число циклов". © Copyright: Принц Андромеды, 2022.
Другие статьи в литературном дневнике:
|
