Модель Вселенной

 

Все особенности развития космологии нашли отражение в различных моделях Вселенной. Общим для них является представление о нестационарном изотропном и однородном характере ее моделей.

Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться в статическом, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься. «Разбегание» галактик свидетельствует о ее расширении, хотя существуют модели, в которых наблюдаемое в настоящее время расширение рассматривается как одна из фаз так называемой пульсирующей Вселенной, когда вслед за расширением идет ее сжатие.

Изотропность указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек и направлений.

Однородность характеризует распределение в среднем вещества во Вселенной.

Расстояние между скоплениями галактик со временем непрерывно увеличивается, что соответствует бесконечной Вселенной.

Стандартная модель эволюции Вселенной

 

Начальная температура внутри сингулярности превышала 10¹³ градусов по абсолютной шкале Кельвина. Плотность материи равнялось приблизительно 10⁹³ г/см³. В подобном состоянии неизбежно должен был произойти «большой взрыв», с которым связывают начало эволюции и стандартной модели Вселенной, называемой поэтому моделью «большого взрыва». Предполагают, что такой взрыв произошел примерно 15-20 млрд лет назад и сопровождался сначала быстрым, а потом умеренным расширением и, соответственно, постепенным охлаждением Вселенной.

Через 0,01 с после взрыва плотность материи с невообразимо большой величины должна была упасть до 10¹⁰ г/см³. В этих условиях в расширяющейся Вселенной, по-видимому, должны были существовать фотоны, электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино, а также небольшое количество нуклонов (протонов и нейтронов).

Когда температура Вселенной снизилась и упала до 6 млрд градусов по Кельвину, первые 8 с после взрыва там существовала в основном смесь электронов и позитронов. Пока эта смесь находилась в тепловом равновесии, количество частиц разного рода оставалось приблизительно одинаковым. Между частицами происходили непрерывные столкновения, в результате чего возникали пары фотонов, а из столкновения последних – электрон и позитрон. На этой стадии происходило непрерывное превращение вещества в излучение и наоборот. Вследствие этого между веществом и излучением сохранялась симметрия.

По мере расширения и охлаждения во Вселенной шли процессы разрушения существующих ранее симметрий и возникновения на этой основе новых структур. Предполагают, что одним из первых результатов расширения и, соответственно, охлаждения Вселенной было нарушение симметрии между веществом и антивеществом, а именно такими разноименно заряженными материальными частицами, как электрон, несущий отрицательный заряд е^- и позитрон с противоположным положительным зарядом е⁺. Как возникло подобное нарушение симметрии? Неясным остается также то, каким способом антивещество оказалось отделенным от вещества и что удерживает их от аннигиляции или уничтожения. Так как частицы вещества и антивещества при взаимодействии аннигилируют, то предполагают, что в далеком прошлом наш вещественный мир каким-то образом оказался изолированным от мира антивещественного. Именно на этой стадии возникли более тяжелые ядерные частицы – протоны и нейтроны. Самым же главным результатом этой стадии микроэволюции нашей области Вселенной было образование крайне незначительного перевеса вещества над излучением, которое оценивается примерно как излишек одного протона и нейтрона на миллиард фотонов. Через три минуты после взрыва из нуклонов образовалась смесь легких ядер: 2/3 водорода и 1/3 гелия. Остальные химические элементы возникли из этого дозвездного вещества в результате ядерных реакций. В тот момент, когда появились нейтральные атомы водорода и гелия, вещество сделалось прозрачным для фотонов, и они стали излучаться в мировое пространство. В настоящее время такой остаточный процесс наблюдается в виде реликтового излучения. Это явление находится в полном соответствии с моделью «горячей» Вселенной. Оно сохранилось до наших дней и наблюдается именно как реликт, или остаток, от той весьма отдаленной эпохи образования нейтральных атомов водорода и гелия. Из излишка вещества в процессе дальнейшей эволюции возникло то огромное богатство и разнообразие образований, явлений и форм, начиная от атомов, молекул, кристаллов, минералов и кончая разнообразными горными образованиями, планетами, звездами и звездными ассоциациями, галактиками и скоплениями галактик.

Процессы микроэволюции Вселенной, продолжавшиеся не менее 10 млрд лет, привели к образованию молекул и тем самым явились предпосылкой для начала ее макроэволюции, в результате которой и возникли окружающие нас макротела, разнообразные их системы вплоть до галактических. Здесь существенная роль принадлежит уже нарушению симметрий между различными физическими взаимодействиями. В настоящее время различают 4 типа фундаментальных взаимодействий: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Непосредственно мы можем воспринимать два их типа:

- гравитационные взаимодействия, т.е. силы тяготения, которые действуют на все макротела и притом на достаточно далеких расстояниях. Именно они определяют движения планет, звезд, галактик и других космических тел;

- электромагнитные силы, которые играют решающую роль при образовании молекул, химических соединений, кристаллов и всех тел и систем, которые занимают промежуточное положение между микромиром и мегамиром.

Остальные два типа физических взаимодействий (слабое и сильное) непосредственно не воспринимаются человеком, но играют существенную роль при образовании разнообразных объектов микромира. На первоначальном этапе, когда Вселенная была достаточно горячей, ядерные силы находились в симметрии с гравитационными, а силы электромагнитного взаимодействия – со слабым взаимодействием. Только вследствие нарушения симметрии между сильными ядерными и гравитационными силами стало возможным образование небесных тел, галактик и других космических систем. В свою очередь, нарушение симметрии между электромагнитными силами и слабыми взаимодействиями привело к образованию огромного множества тел, структур и систем, которые составляют окружающий нас мир. Таким образом, благодаря разрушению симметрии между разными типами физических взаимодействий стало возможно не только возникновение микро- и макрообъектов, но также последующая взаимосвязанная эволюция микроскопической и макроскопической ветвей развития. Освобождение гравитационных сил, произошедшее вследствие разрушения их симметрии с ядерными силами примерно через 700 000 лет после взрыва, привели к образованию звезд, галактик, их скоплений и других космических систем. В свою очередь, гравитационные силы и ударные волны способствовали возникновению и развитию ядерных реакций внутри звезд и ядер галактик и их скоплений. Следовательно, макро- и микроэволюции взаимно обусловливали и дополняли друг друга, вот почему они представляют собой две ветви единого процесса. Отсюда становится ясным, что возникновение и эволюция физических, химических, геологических и других систем неорганической природы прочно укладываются в рамки космической и земной эволюции.

Предбиологическая эволюция связана с переходом от неорганической материи к органической, а затем к элементарным формам жизни. Предполагают, что по мере охлаждения Земли возникали все условия для образования сложных органических молекул из неорганических. Быть может, не доставало лишь высокой температуры для химического синтеза, но такую температуру могло вызвать воздействие ультрафиолетовых лучей или электрических разрядов. Такая возможность была доказана экспериментально, а поэтому сама гипотеза представляется весьма обоснованной.

Предбиологическая эволюция сменилась эволюцией биологической.

Возникли первые живые клетки без ядер – прокариотические, а затем с ядрами – эукариотические. Первыми стали осваивать землю растения, которые появились примерно 500 млн лет назад. Спустя примерно 50 млн лет после растений появились первые животные – гипертрофы, которые стали использовать растения в пищу. В результате дальнейшей эволюции из этих основных царств живых систем возникло огромное разнообразие форм и видов растений и животных, которые, постепенно адаптируясь к окружающей среде, усложняли свою структуру и функции и влияли также на свою среду, главным образом через те экосистемы, в которые они входили.

Таким образом, гипотеза эволюции Вселенной опирается на твердо установленный факт смещения спектральных линий света, идущего от далеких галактик, который интерпретируется как удаление, или «разбегание», их от наблюдателя. Кроме того, эта гипотеза основывается на такой фундаментальной идее, как нарушение симметрий в процессе образования все новых и более сложных материальных структур и систем. Тот факт, что любая эволюция сопровождается разрушением симметрий, непосредственно следует из принципа положительной обратной связи, согласно которому неравновесность и неустойчивость, возникающие в открытой системе со временем не ликвидируются, а, наоборот, усиливаются. Это приводит, в конечном счете, к разрушению прежних симметрий и, как следствие, к возникновению новой структуры.

Главный итог современных космологических исследований позволил сделать вывод, что Вселенная не находится в стационарном состоянии, она непрерывно изменяется вследствие понижения в ней температуры и связанного с этим процесса расширения. В результате этого происходит эволюция материи, связанная с появлением все новых и сложных структур.

Академик В.А. Амбарцумян (1908-1996) и его последователи активно изучают нестационарные процессы во Вселенной, делая акцент на формирование космических тел и систем путем фрагментации плотного и сверхплотного вещества. Процессы конденсации диффузного вещества, гравитационного коллапса (адиабатическое и вихревое образование галактик, ядро радиогалактики как аккрецирующая черная дыра, взрыв сверхновой, как результат «падения» выгоревшей звезды саму в себя, образование планет из протопланетного облака и т.п.) здесь считают вторичными. «Дилемма «взрывы или коллапсы?» заняла центральное место в столкновении двух эволюционных концепций», дополнив и обострив все предшествующие разногласия между ними», – подчеркивает В.А. Амбарцумян и далее, характеризуя сущность этой идеи, указывает: «нестационарные процессы во Вселенной имеют форму рассеяния, дезинтеграции, взрыва». Наблюдаемая Вселенная оказалась не только расширяющейся, но буквально взрывающейся: взрывы чудовищной мощности то и дело случаются в ней в разное время и в разных местах.

Важной проблемой остается оценка возраста Вселенной, который определяется по длительности ее расширения. Если бы расширение Вселенной происходило с постоянной скоростью, равной в настоящее время 75 км/с, то время, истекшее с начала «большого взрыва», составило бы 13 млрд лет. Однако есть основания считать, что ее расширение происходит с замедлением. Тогда возраст Вселенной будет меньше. С другой стороны, если допустить существование отталкивающих космологических сил, тогда возраст Вселенной окажется больше.

Реликтовое излучение – фоновое (остаточное) космическое излучение, спектр которого близок к спектру абсолютно черного тела с температурой около 3⁰К. При такой температуре основная доза излучения приходится на радиоволны сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Плотность энергии реликтового излучения 0,25 эВ/см³. Происхождение его связывают с эволюцией Вселенной, которая в прошлом имела высокую температуру и плотность излучения.

Известный американский астроном К. Саган (1934-1996) построил наглядную модель эволюции Вселенной, в которой космический год равен 15 млрд земных лет, а 1 с – 500 годам. Тогда в земных единицах времени эволюция представляется так:

Большой взрыв 1 января 0 ч 0 мин.

Образование галактик 10 января

Образование Солнечной системы 9 сентября

Образование Земли 14 сентября

Возникновение жизни на Земле 25 сентября

Океанский планктон 18 декабря

Первые рыбы 19 декабря

Первые динозавры 24 декабря

Первые млекопитающие 26 декабря

Первые птицы 27 декабря

Первые приматы 29 декабря

Первые гоминиды 30 декабря

Первые люди 31 декабря примерно

в 22 ч 30 мин.

Концепции, объясняющие эволюцию Вселенной

 

Концепции, объясняющие эволюцию Вселенной, включают в себя:

- концепцию самоорганизации;

- концепцию креационизма;

Для концепции самоорганизации материальная Вселенная является единственной реальностью, и никакой другой реальности помимо нее не существует. Эволюция Вселенной описывается в терминах самоорганизации: идет самопроизвольное упорядочение систем в направлении становления все более сложных структур. Динамический хаос порождает порядок. Вопрос о цели космической эволюции в рамках концепции самоорганизации ставиться не может.

В рамках концепции креационизма, т.е. творения, эволюция Вселенной связываетсяс реализацией программы, определяемой реальностью более высокого порядка, чем материальный мир. Сторонники креационизма обращают внимание на существование во Вселенной направленного развития – от простых систем ко все более сложным и информационно емким, в ходе которого создаются условия для возникновения жизни и человека.

В качестве дополнительного аргумента привлекается антропный принцип, суть которого заключается в том, что существование той Вселенной, в которой мы живем, зависит от численных значений фундаментальных физических констант – постоянных Планка, гравитации, констант взаимодействия и т.д.

Численные значения этих величин определяют основные особенности Вселенной, размеры атомов, атомных ядер, планет, звезд, плотность вещества и время ее жизни. Если бы эти значения отличались от существующих хотя бы на ничтожно малую величину, то не только жизнь была бы невозможной, но и сама Вселенная как сложная упорядоченная структура не могла бы существовать.

Среди современных физиков – теоретиков имеются сторонники как концепции самоорганизации, так и концепции креационизма. Последние признают, что развитие фундаментальной теоретической физики делает насущной необходимостью разработку единой научной картины мира, синтезирующей все достижения в области знания и веры.

Контрольные вопросы

1. Какова эволюция представлений о космологической модели Вселенной?

2. В чем заключаются 2 парадокса, связанные с постулатом о бесконечности Вселенной?

3. Каковы особенности развития современной космологии?

4. В чем заключается космологическая модель А.А. Фридмана?

5. Что такое космологическая сингулярность?

6. Что установил Э. Хаббл?

7. В чем заключается модель «горячей» Вселенной?

8. Что означает нестационарность, изотропность и однородность Вселенной?

9. Какова стандартная модель эволюции Вселенной?

10. Опишите эволюцию Вселенной как цепочку нарушений симметрии.

11. В чем заключается дилемма «взрывы или коллапсы»?

12. Каков возраст Вселенной?

13. Что такое реликтовое излучение?

14. Опишите модель эволюции Вселенной по К. Сагану.

15. Какие существуют концепции, объясняющие эволюцию Вселенной?