НАУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Реферат: Взгляды на происхождение вселенной
Реферат: Взгляды на происхождение вселенной
Санкт-Петербургский Государственный архитектурно-строительный
университет Кафедра физики Курсовая работа
на тему:
Существующие взгляды на происхождение Вселенной
Выполнила: студентка гр.ЭТ-3
Кобзарь Л.М.
Преподователь: Дацюк Т.А.
Санкт-Петербург 2004 План курсовой работы
Вступление
- Первые философско-научные взгляды на происхождение вселенной
-
Статическая модель Энштейна - Расширяющаяся вселенная Хаббла
-
Теория пульсирующей вселенной и теория стационарного взрыва Фридмана -
Расширяющаяся вселенная Пензиаса и Вильсона - Теория Большого взрыва.
Точка сингулярности - Инфляционная модель А.Д. Линде
- Гипотеза
“фридманов” М.А. Маркова - Теория космических струн
- Теория
бесконечно пульсирующей вселенной - Модель пульсирующей вселенной с
обращением хода времени П. Дэвиса - Антропный принцип возникновения
мира Г.И. Иглиса и Картера.
Заключение
Приложение 1. Подробно о большом взрыве и точке сингулярности
Приложение 2. Опровержение фактов, связанных с Большим взрывом
Список литературы
Вступление
В этой курсовой работе будут раскрыты и описаны разные взгляды на
происхождение вселенной.
Данный вопрос не дает покоя человечеству с тех самых пор как человек начал
задумываться над тем, а откуда же все «это», что есть вокруг меня, взялось?
Как писал один физик, только абсолютно необразованный и глупый человек не
задается этим вопросом. Все ищут ответ на данный вопрос: и философы, и
физики, и математики, и у каждого свой взгляд, потому что слишком сложно, а
точнее пока невозможно однозначно и точно утверждать, как это было.
В данной курсовой работе я постаралась показать, как по мере развития знаний
человечества о сущности мира, менялось представление о его возникновении, и в
частности, о возникновении Вселенной. Здесь так же приведены некоторые
взгляды современных ученых и детализирован самый распространенный взгляд на
данный вопрос.
Проблема начала вселенной, подобна старому вопросу: что произошло первым
цыпленок или яйцо. Другими словами, какая сила создала вселенную. И что
создало эту силу. Или возможно, вселенная, или сила, которая создавало все
это, существовали всегда, и не имели начала.
Вселенная бесконечна во времени и пространстве. Каждая частичка вселенной
имеет свое начало и конец, как во времени, так и в пространстве, но вся
Вселенная бесконечна и вечна, так как она является вечно самодвижущейся
материей.
Вселенная - это всё существующее. От мельчайших пылинок и атомов до огромных
скоплений вещества звездных миров и звездных систем.
Вплоть до недавнего времени, ученые имели тенденцию не касаться вопросов
таких сфер потому, что они принадлежали к метафизике или религии, а не к
науке. Тем не менее, в последнее время возникло учение о том, что Законы
Науки могут быть даже в начале вселенной. В этом случае, вселенная могла
определяться полностью Законами Науки.
Многие ранние традиции, Еврейская, Христианская и Исламская религии,
считали, что вселенная создалась довольно недавно. Например, Епископ Ушер
вычислил дату в четыре тысячи четыреста лет, для создания вселенной,
прибавляя возраст людей в Ветхом Завете. Фактически, дата библейского
создания не так далека от даты конца последнего Ледникового Периода, когда
появился первый современный человек.
С другой стороны, некоторые люди, как, например, Греческий философ
Аристотель, Декарт, Ньютон, Галилей не признавали идею о том, что вселенная
имела начало. Они чувствовали, что это могло было быть. Но они предпочли
верить в то, что вселенная, существовала, и должна была существовать всегда,
то есть вечно и бесконечно.
Вселенная была по существу неменяющейся во времени. Время абсолютно однородно
и синхронизировано. В любой точке вселенной оно одинаково. Пространство тоже
однородно и изотропно. Масштаб одинаков в любой точке вселенной. Или она
была создана в своей настоящей форме, или она существовал всегда, подобно
сегодняшней. Это было естественное убеждение в то время, поскольку
человеческая жизнь, на самом деле, очень короткий отрезок истории, которую
вселенная значительно не изменила по сравнению с возрастом самой вселенной.
В статической, неменяющейся вселенной, вопрос о том, что вселенная
существовала всегда, или создалась в прошлом, - действительно материал для
метафизики или религии: каждая теория могла бы принять во внимание такую
вселенную.
Великий немецкий ученый, философ Кант (1724-1804) создал первую универсальную
концепцию эволюционирующей Вселенной и представлял Вселенную бесконечной в
особом смысле. Он обосновал возможности и значительную вероятность
возникновения такой Вселенной исключительно под действием механических сил
притяжения и отталкивания и попытался выяснить дальнейшую судьбу этой
Вселенной на всех ее масштабных уровнях – начиная с планетной системы и
кончая миром туманности.
В 1781 Кант, написал необычную и очень неясную работу, Критику Чистого
Разума. Там, он решил, что были одинаково правильные доводы, оба - для веры,
что вселенная имела начало, и для веры же, что его не было. Как говорит его
название, его выводы были основаны просто на причине. Другими словами, они не
взяли в счет наблюдения о вселенной. В конце концов, в неменяющейся
вселенной, было ли что наблюдать?
В 19-м столетии подтверждение начала вселенной накапливались. Земля и
остальная часть вселенной, фактически изменились со временем. С одной
стороны, геологи поняли, что образование скал, и ископаемых в них, имело
возраст сотни или тысячи миллионов лет. Это было намного более длинным
сроком, чем возраст Земли, согласно Христианству.
Параллельно существуют религиозные теории, основанные на своих
доказательствах и свидетельствах, утверждающие, что весь мир, и вселенная в
частности, был создан сверхсилой, Богом.
Таким образом, перед учеными вставала проблема выбора между верой в бога и
материальной верой. Они еще не знали первопричин происхождения вселенной, так
как у них не было в то время достаточной научной базы. Вера в Бога была более
предпочтительна. Исторически христианство было старше, чем наука и
естественно немногие воспринимали науку серьезно, но со временем она набирала
силу, и все чаще люди поворачивали голову в ее сторону.
Тайна в науке - это то, что наука не может объяснить, как она не может
объяснить то, что было до большого взрыва. Ведь все, что происходило до
момента возникновения вселенной, точки сингулярности, не обсуждается - это
догма. А непознанное в науке - это та тайна, которая в ближайшее время не
может быть раскрыта.
Немецкий физик, Больцман, вывел так называемый Второй Закон Термодинамики. Он
указывает на то, что общая сумма беспорядочно движущихся частиц во вселенной
(который измеряется количеством называющимся энтропия), всегда увеличивается
со временем. Это предполагает что вселенная могла быть в сжатом состоянии
только в одно время в точке начала. В противном случае, вселенная должна
вырождаться в состояние полного беспорядка с одинаковой температурой.
Очередная трудность с идеей статической вселенной была в том, что согласно
Закону Силы Тяжести Ньютона, каждая звезда во вселенной должна притягиваться
к каждой другой звезде. То как они могли бы остаться на постоянном
расстоянии друг от друга? Не будут ли они все вместе падать? Ньютон был
осведомлен о проблеме о звездах, привлекающих друг друга. В письме к Ричарду
Бентли, ведущему философу того времени, он согласился, что конечное скопление
звезд не может остаться неподвижным: они бы все упали вместе, в некоторой
центральной точке. Тем не менее, он поспорил, что бесконечное скопление
звезд, не должно падать вместе: для них не было бы центральной точки, чтобы
туда упасть. Этот аргумент является примером западней, одну из которых мы
можем встретить, когда одни говорят о бесконечных системах. Используя другие
пути, чтобы добавить силу в каждой звезде, из бесконечного количества других
звезд во вселенной, однажды мы можем получить другие ответы на вопрос: они
могут оставаться на постоянном расстоянии друг от друга. Мы теперь знаем,
что правильная методика должна рассматривать случай начальной точки, откуда
произошел мир.
Несмотря на эти трудности с идеей статической и неменяющейся вселенной никто в
семнадцатых, восемнадцатых, девятнадцатых или ранних двадцатых столетиях не
считал, что вселенная могла развиваться со временем. Ньютон и Эйнштейн, оба
пропустили шанс предсказывания, что вселенная могла бы или сокращаться, или
расширяться. Нельзя действительно ставить это против Ньютона, из-за того, что
он жил двести пятьдесят лет перед открытием расширения вселенной. Но Эйнштейн
должен был знать это лучше. Когда он сформулировал Теорию Относительности,
чтобы проверить теорию Ньютона с его собственной Специальной Теорией
Относительности, он добавил так называемую, "космическую константу''. Это
представляло собой отталкивающий гравитационный эффект, который мог бы
балансировать эффект притяжения материала во вселенной. Таким образом, было
возможно иметь статическую модель вселенной.
Эйнштейн позже сказал: космическая константа была величайшей ошибкой моей
жизни. Это произошло после наблюдений отдаленных галактик, Эдвином Хабблом в
1920 году, и показало, что они перемещаются далеко от нас, со скоростями,
которые были приблизительно пропорциональными их расстоянию от нас. Другими
словами, вселенная не статическая, как прежде было принято думать: она
расширяется. Расстояние между галактиками возрастает со временем.
Впервые принципиально новые космологические следствия общей теории
относительности раскрыл выдающийся советский математик и физик-теоретик
Александр Фридман (1888-1925 гг.). Фридман привел две модели Вселенной.
Вскоре эти модели нашли удивительно точное подтверждение в непосредственных
наблюдениях движений далёких галактик в эффекте «красного смещения» в их
спектрах.
Своими выводами Фридман теоретически способствовал открытию необходимости
глобальной эволюции Вселенной.
Существует несколько теорий эволюции:
- Теория пульсирующей Вселенной утверждает, что наш мир произошел в
результате гигантского взрыва. Но расширение Вселенной не будет продолжаться
вечно, т.к. его остановит гравитация. По этой теории наша Вселенная расширяется
в течение 18 млрд. лет со времени взрыва. В будущем расширение полностью
замедлится и произойдет остановка, а затем она начнёт сжиматься до тех пор,
пока вещество опять не сожмется и произойдет новый взрыв.
- Теория стационарного взрыва: согласно ей Вселенная не имеет ни
начала, ни конца. Она все время пребывает в одном и том же состоянии. Постоянно
идет образование нового водоворота, чтобы возместить вещество удаляющихся
галактик. Вот по этой причине Вселенная всегда одинакова, но если Вселенная,
начало которой положил взрыв, будет расширяться до бесконечности, то она
постепенно охладится и совсем угаснет.
В 1929 году Хаббл открывает эффект так называемый эффект «красного смещения».
Он утверждает, что во всех наблюдаемых спектрах всех наблюдаемых галактик он
видит красную подсветку в части спектра. Он брал в пример наблюдателя,
стоящего около источника света, который удалялся или приближался. При
удалении источника света мы наблюдаем красный свет спектра, а при
приближении - фиолетовый.
 <V V>
  источник света
h’/ h = 1+V/C , если V>0 то h’>h
h - длина волны неподвижного источника света
h’- длина волны движущегося источника света
V=HR - Закон Хаббла
R - расстояние до исследуемой галактики
Н - постоянная Хаббла
V - скорость разбегания галактики
H=15км/с на 1млн.световых лет
Это означает, что все галактики от нас удаляются. Но наука, как ни странно,
забыла об этом до 1964 года. И лишь в 1964 году ученые Пензиас и Вильсон
открывают эффект «реликтового фона». Они утверждают, что во всех точках
вселенной наблюдается постоянный и однородный шум - реликтовый фон равный 3
градусам К. Это означает, что галактики удаляются с определенной скоростью, а
наблюдаемая, Вселенная расширяется. А если они удаляются, значит, была и
начальная точка отсчета.
Эти два неоспоримых и полностью доказанных факта подтверждают теорию Большого
Взрыва. Значит, начало было, и все ранние научные догмы по проблеме начала
вселенной полностью опровергаются. С этого момента научное понятие начала
вселенной пришло в некоторое согласие с христианской точкой зрения на этот
вопрос. Ведь христиане также считают, что начало было, но, правда, у них
началом был Бог и он же создал вселенную.
Бог сотворил мир за шесть дней, но если исходить из теории Большого Взрыва
, возраст образования вселенной равен примерно 15-20 млрд. лет. Сейчас
теоретические физики пытаются, как бы свернуть вселенную, чтобы точнее узнать
ее возраст. Но для нас же важен сам факт, что вселенная имела начало.
В момент, который был назван Большим Взрывом, плотность вселенной была равна
1000 000 г/м (куб), а температура равнялась 10 в 32 степени градусов К. Этот
момент был назван точкой сингулярности, то есть была точка, было начало,
возникла масса, абсолютное пространство и все законы, которым сейчас
подчиняется вселенная.
Если исходить из фактов, то теория Большого Взрыва кажется очень
убедительной, но так как мы до сих пор не знаем, что же было до него, это
напускает немного тумана на эту проблему. Но все-таки наука продвинулась
гораздо дальше, чем это было раньше и как любая революционная теория, теория
Большого Взрыва дает хороший толчок развитию научной мысли.
Модель "горячей" Вселенной, сопряженная с концепцией "Большого взрыва",
является наиболее распространенной в настоящее время и требует особого
внимания и осмысления.
Не надо думать, что представление о расширяющейся Вселенной - открытие ХХ
века. Мысли о расширяющемся Космосе высказывались еще в Ригведе и в орфико-
пифагорейских космологических учениях. В конце концов электромагнитные волны,
включая свет, от любого ненаправленного и несфокусированного источника не
могут быть ничем иным, кроме как расширяющейся сферой электромагнитного
фронта. Космологи-релятивисты просто абсолютизировали взрывной характер
данного вполне естественного процесса. К тому же релятивистские
космологические модели получены исключительно умозрительным путем и усилием
мысли же произвольно перенесены затем на весь Космос.
Согласно концепции "Большого взрыва", Вселенная возникла из одной точки,
радиусом равной нулю, но с плотностью равной бесконечности [о Большом взрыве
очень подробно в приложении 1]. Что это за точка, именуемая сингулярностью,
каким образом из ничего появляется вся неисчерпаемая Вселенная и что
находится за пределами сингулярности - об этом сторонники и пропагандисты
данной гипотезы умалчивают. "Большой взрыв" произошел 10-20 миллиардов лет
назад (точный возраст зависит от величины постоянной Хаббла, вводимой в
соответствующую формулу). Эта величина, в свою очередь, может иметь различные
значения в зависимости от методов, применяемых для измерения расстояния от
Земли до галактик.
В целом же трезвый подход к квазикосмистским умозрениям типа "Большого
взрыва" хорошо выразил известный шведский физик и астрофизик, лауреат
Нобелевской премии Х. Альвен. Отнеся данную гипотезу к разряду математических
мифов и отмечая возрастание фанатичной веры в него, он пишет: "...Эта
космологическая теория представляет собой верх абсурда - она утверждает, что
вся Вселенная возникла в некий определенный момент подобно взорвавшейся
атомной бомбе, имеющей размеры (более или менее) с булавочную головку. Похоже
на то, что в теперешней интеллектуальной атмосфере огромным преимуществом
космологии "Большого взрыва" служит то, что она является оскорблением
здравого смысла: credo, quia absurdum ("верую, ибо это абсурдно")! Когда
ученые сражаются против астрологических бессмыслиц вне стен "храмов науки",
неплохо было бы припомнить, что в самих этих стенах подчас культивируется еще
худшая бессмыслица.
В рамках теории "Большого взрыва" отрицается вечность и бесконечность
Вселенной, так как Вселенная имела начало во времени и по прошествии даже
максимального срока в 20 миллиардов лет успела расшириться (раздуться) на
ограниченное расстояние. Что находится за пределами радиуса расширяющейся
Вселенной - тоже запретная тема для обсуждения. Обычно отделываются ничего не
объясняющими утверждениями, смысл которых примерно следующий: Вселенная
такова, потому что это вытекает из математических формул. В частности,
сингулярность получается путем чисто математических преобразований и затем
проецируется на космическую реальность. Вообще объектом релятивистской
космологии являются предельно абстрактные модели, опирающиеся на сложнейший
математический аппарат. При этом сначала решаются уравнения или доказывается
теорема, а затем уже решается вопрос о том, каким образом следует
скорректировать прежнее, не менее абстрактное математическое описание Космоса
или, быть может, заменить старую космологическую модель на новую.
С полной очевидностью он обнаруживается и в истории с космологической
сингулярностью. Впервые релятивистская идея расширяющейся Вселенной была
сформулирована и математически обоснована российским ученым А.А. Фридманом в
двадцатые годы. Его ученик Дж. Гамов рассчитал в конце сороковых годов модель
горячей взрывающейся Вселенной, положив начало концепции "Большого взрыва".
Но широкое распространение и внедрение эта теория получила лишь с середины
1960-х годов.
Вот как излагает историю вопроса С. Хокинг - один из наиболее авторитетных
современных ученых, внесший большой личный вклад в развитие и распространение
релятивистской космологии (ныне Хокинг руководит той самой кафедрой в
Кембриджском университете, которую когда-то возглавлял Ньютон, -
свидетельство наивысшего признания в научном мире). Отправной точкой
размышлений Хокинга послужила теория другого английского математика и физика
- Р. Пенроуза. Обосновывая начало Вселенной во времени и исходя из поведения
световых конусов в общей теории относительности, Пенроуз математически
показал, что когда звезда сжимается под действием собственных сил гравитации,
она ограничивается областью, поверхность которой в конце концов сжимается до
нуля. А раз поверхность этой области сжимется до нуля - следовательно, то же
самое должно происходить и с ее объемом. Все вещество звезды будет сжато в
нулевом объеме, так что ее плотность и кривизна пространства-времени станут
бесконечными. В данной ситуации и возникает сингулярность, выведенная
исключительно математическим путем в рамках теперь уже классической теоремы
Пенроуза.
В 1965 году Хокинг познакомился с теорией Пенроуза и решил распространить ее
на всю Вселенную, изменив при этом направление времени на обратное так, чтобы
сжатие перешло в расширение. Другими словами, в математических уравнениях был
заменен знак, что позволило ввести новую модель Большого Космоса,
совмещенного с "Большим взрывом", точкой отсчета которого стала
сингулярность. Спустя пять лет Хокинг опубликовал на эту тему работу уже
совместно с Пенроузом.
Показательно, что теория целиком и полностью родилась "на кончике пера" и
соткана из тончайшей математической паутины. Ее возможное соответствие
космической реальности целиком и полностью зиждется на энтузиазме и
активности авторов, поддерживающих друг друга и поддерживаемых не менее
дружно всеми возможными информационными средствами. В действительности
ничего, кроме искусной комбинации математических отношений, существующих в
двух вариантах - либо в голове теоретика, либо в письменном или напечатанном
виде, авторы "взрывотворящих" космологических гипотез предложить не могут.
Тем не менее разработка концепции "Большого взрыва" происходила в ускоренном
режиме. Не связанные какими бы то ни было ограничениями, теоретики дали
полную волю своему воображению. Особенно их привлекали краевые значения: что
было в самом начале и что ждет их детище в самом конце. Проблема "начала"
породила необозримый поток публикаций, включая быстро завоевавшие
популярность монографии, такие, к примеру, как переведенная на многие языки
книга американского физика, лауреата Нобелевской премии Стивена Вайнберга
"Первые три минуты: Современный взгляд на происхождение Вселенной". Здесь,
так сказать, посекундно расписано, как вела себя материя, возникшая из
ничего, в первые три минуты своего существования [смотри приложение 3
«Сценарий большого взрыва»].
Но посекундного расписания оказалось мало. Стали разрабатывать модели (сугубо
абстрактно-математические), позволяющие представить, что было (точнее - "было
бы, если бы было") с Вселенной в первые десятые и даже сотые доли секунды.
Особую известность получила так называемая "инфляционная модель" Вселенной,
разработанная российским космологом А.Д. Линде. Ее популярность и быстрое
признание были обусловлены тем, что с помощью новых математических допущений
удалось преодолеть возникшие противоречия между двумя теоретическими "китами"
- космологией и физической теорией элементарных частиц.
Специалисты по теории элементарных частиц давно обращали внимание на неясные
моменты космологии и задавали вопросы, которые казались почти
метафизическими. Что было до начала расширения Вселенной? Почему Вселенная
однородна и изотропна? Почему разные ее части, далеко удаленные друг от
друга, так похожи, хотя формировались независимо? Поначалу казалось, что
ответы на эти вопросы выходят за рамки целей и возможностей науки. Именно
поэтому такой большой интерес вызвала предложенная Линде теория инфляционной,
раздувающейся, Вселенной, в которой удалось ответить на большую часть
приведенных вопросов. Общая черта различных вариантов инфляционной теории -
существование стадии очень быстрого (экспоненциального) расширения Вселенной
в вакуумоподобном состоянии с огромной плотностью энергии. Эта стадия и
называется стадией инфляции. После нее вакуумоподобное состояние распадается,
образующиеся при этом частицы взаимодействуют друг с другом, устанавливается
термодинамическое равновесие, и лишь вслед за этим Вселенная начинает
эволюционировать согласно стандартной модели "горячей Вселенной". В типичных
моделях инфляции стадия раздувания продолжается всего 10-35 с, но за это
время раздувающиеся области Вселенной успевают увеличить свой размер в
10000000000 Є 1010 раз.
Вдохновленный "инфляционным подходом", Стивен Хокинг решил довести
ультрарелятивистскую модель "Большого взрыва" до логического конца и ответить
на весьма щекотливый вопрос: что же станет со Вселенной, когда она завершит
эволюцию, предписанную математическими уравнениями. Ответ обескураживает
своей бесхитростной простотой: она опять превратится в сингулярность, то есть
в точку с нулевым радиусом. Хокинг даже припугивает: "Сингулярности не будет
лишь в том случае, если представлять себе развитие Вселенной в мнимом
времени". Вот так: либо соглашайся с сингулярностью, либо будешь жить в
мнимом времени! Ужасная просто перспектива! Хорошо еще, что она существует
только в разыгравшемся теоретическом воображении, а мнимое время - такая же
математическая абстракция, как и сингулярность.
Итак, модель "Большого взрыва" - всего лишь одна из возможных воображаемых
конструкций, плод игры теоретической мысли.
Американский астроном Дж. Бербидж попытался проанализировать причины странной
популярности гипотезы "Большого взрыва", в основе которой лежат непроверенные
предположения. Прежде всего ошеломил темп ее распространения: на Западе
конференции, посвященные данной космологической модели, проводятся в среднем
раз в месяц. В учебниках релятивистская модель излагается как доказанная раз
и навсегда и единственно возможная. Опубликовать в научном издании
альтернативную статью практически невозможно из-за наличия жесточайшей
цензуры. Сторонником альтернативных подходов чрезвычайно трудно получить
финансовую поддержку (в то время как для релятивистов она идет широким
потоком) и даже время для наблюдений на телескопе. Так, известному астроному
Х. Арпу было отказано в наблюдениях крупнейшими американскими обсерваториями,
поскольку целью его исследований были поиски фактов против релятивистской
космологической модели. А ведь Х. Арпу принадлежит заслуга в открытии двойных
галактик, связанных друг с другом туманными струями. При этом красное
смещение у двух взаимосвязанных объектов оказалось совершенно различным, что,
естественно, не вписывалось ни в гипотезу "Большого взрыва", ни даже в
истолкование факта красного смещения.
Свободное оперирование теоретическими конструкциями, без их сопряжения с
научной (а в данном случае - космистской) методологией приводит к отрыву от
материальной действительности результатов математических операций и как
следствие - к самым парадоксальным и невероятным выводам. Подтверждением тому
может служить гипотеза "фридмонов" М.А. Маркова. Согласно этой гипотезе,
"Вселенная в целом может оказаться микроскопической частицей.
Микроскопическая частица может содержать в себе целую Вселенную". Подобные
микроскопические объекты, "внутри" которых могут находиться звездные системы,
галактики, цивилизации, получили название "фридмонов" (в честь А.А.Фридмана).
Выдвигаемые положения наглядно иллюстрируются с помощью знаменитого "демона
Максвелла" - гипотетического существа, способного оказаться в любой
невероятной ситуации и описать ее. Вот что увидел бы такой "демон" при полете
через Вселенную, представляющую собой "фридмон". Двигаясь от центра нашей
Вселенной, "максвелловский демон", пройдя ультрамакроскопические расстояния
между галактиками, в конце концов оказался бы в некоторой области, где наш
мир с помощью микроскопической горловиной сферы связан с другим, "внешним" по
отношению к нашему, пространством. Но если бы любознательный "демон"
протиснулся сквозь горловину за пределы "фридмона" и взглянул со стороны на
нашу Вселенную, то с удивлением обнаружил бы, что извне она представляется
микроскопическим объектом.
Вывод о макро-микроскопической Вселенной базируется на строгом и оригинальном
математическом расчете. Но значит ли это, что предлагаемое решение и является
абсолютной "формулой мира", раскрывающей самые что ни на есть фундаментальные
закономерности движущейся материи? Ничуть. Упомянутая формула является одной
из бесчисленного множества возможных и столь же равноправных моделей и
формул, каждая из которых будет описывать вполне определенную (новую в каждом
отдельном случае) совокупность объективных природных отношений.
В 60-е годы нынешнего столетия было обнаружено микроволновое фоновое
излучение, равномерно заполняющее все космическое пространство. Оно
представляет собой радиоволны миллиметрового диапазона, распространяющиеся по
всем направлениям. Таинственное явление было открыто американскими
радиоастрономами Арно Пензиасом и Робертом Вильсоном, за что оба были
удостоены Нобелевской премии. "Фотонный газ" равномерно заполняет всю
Вселенную. Новооткрытое явление немедленно было истолковано как температурно-
ослабленное излучение, образовавшееся вместе со всей Вселенной в результате
Большого взрыва 10-20 миллиардов лет тому назад. Мнение известного
специалиста в области космической проблематики профессора Василия Петровича
Селезнева, действительного члена Академии космонавтики им. К.Э. Циолковского,
руководителя секции общей физики Московского общества испытателей природы.
Существование фонового излучения, равномерно заполняющего все космическое
пространство, - считает академик, - является экспериментально установленным
фактом. Объяснить физическую природу такого излучения оказалось весьма
трудно. Интуиция некоторых исследователей не без основания направила на
поиски причин в малоизученную область знания - космологию, связанную с
происхождением всей нашей Вселенной. Однако в этом поиске почему-то
возобладал односторонний подход: во внимание берется только одна
предполагаемая причина возникновения "реликтового" излучения (так называемый
"Большой взрыв") и не рассматриваются другие альтернативные решения. Вполне
естественно, сам по себе "Большой взрыв", воспроизводящий якобы механизм
зарождения Вселенной из точки нулевого объема (то есть из "ничего"), не
выдерживает никакой критики. Поэтому его нельзя считать действительной
причиной фонового излучения. Более обоснованно зарождение и распространение
фонового излучения можно объяснить, рассматривая модель вращающейся
Вселенной.
"Большого взрыва" современным теоретикам показалось мало, чтобы окончательно
запутать картину Вселенной. Именно так! Раньше наука стремилась к простоте
понимания мира. Теперь же ее идеал - запутанный клубок проблем, порождающих
другие проблемы. Так, в качестве развития экзотических релятивистских моделей
стали предлагаться не менее экстравагантные их продолжения и следствия. Одним
из них явилась теория так называемых космических струн.
Вселенная довольно неоднородна: звезды собраны в галактики, а галактики в
свою очередь образуют скопления. С течением времени Вселенная становится все
более клочковатой по мере того, как гравитационная сила скоплений галактик
притягивает галактики из соседних областей. В современных теориях образования
галактик предполагается, что в прошлом Вселенная была гораздо более
однородной, чем сейчас, и что все галактики и скопления галактик выросли из
небольших флуктуаций, существовавших на фоне почти однородного распределения
вещества. Следствия из этих теорий изучались очень подробно, но среди
множества вопросов выделяется один фундаментальный: что это за флуктуации и
откуда они появились?
Обратимся к космическим струнам - экзотическим невидимым образованиям,
порожденным теориями элементарных частиц. Струны - это нити, оставшиеся от
вещества только что родившейся Вселенной. Они невероятно плотные и подвижные:
перемешаются со скоростью света и искривляют пространство вокруг себя.
Появившиеся в первую секунду от начала расширения Вселенной, струны образуют
запутанные клубки, при бесконечном растяжении которых возникают петли. Эти
петли энергично колеблются и в процессе колебаний постепенно рассеивают свою
энергию.
Никто не может с уверенностью сказать, что струны есть, но если они
существуют, то это, как полагают многие физики, могло бы объяснить
клочковатость распределения вещества во Вселенной. Очень массивные петли
могли бы создавать гравитационное притяжение достаточно сильное, чтобы
зарождались галактики и скопления галактик. Однако такие петли долго не
существуют, так что, если даже когда-то во Вселенной их было много, к
настоящему времени большинство из них исчезло.
Менее массивные струны могли бы существовать и до сих пор, но пока они не
обнаружены. И все же, приложив достаточно усилий и использовав самую
чувствительную аппаратуру, астрономы могли бы опровергнуть или подтвердить
гипотезу о существовании космических струн в течение нескольких лет. Поиск
космических струн связан с большими ожиданиями, поскольку их обнаружение
откроет путь к основам строения вещества и тайне рождения Вселенной. Чтобы
разобраться в этом, необходимо рассмотреть само понятие струн как в физике
элементарных частиц, так и в космологии.
Поскольку Вселенная, согласно релятивистской теории струн, родилась из
нулевой точки не менее 15 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва,
постольку она продолжает расширяться и в настоящее время: далекие галактики
движутся от Земли с очень большими скоростями. Привлекая данные
астрономических наблюдений и законы физики элементарных частиц, ученые могут
восстановить историю Вселенной в прошлом вплоть до момента, когда возраст
Вселенной составлял долю секунды от начала Большого взрыва. Тогда не
существовало галактик, звезд и даже атомов. Вселенная представляла собой
просто гигантский плотный горячий шар из таких частиц, как электроны и
фотоны.
Природа частиц и их взаимодействие определяются вакуумом. Для физиков вакуум
- это состояние с минимальной энергией, достигаемое при отсутствии каких-либо
частиц. Связь между элементарными частицами и вакуумом подобна связи между
звуковыми волнами и веществом, в котором эти волны распространяются: типы
волн и скорость их распространения различны в разных средах. Поскольку
характеристики вакуума не всегда были неизменными, свойства и взаимодействия
элементарных частиц также менялись.
Вначале вакуум обладал неимоверно большой энергией и характеризовался высокой
степенью симметрии. Другими словами, не существовало различия между силами
взаимодействия элементарных частиц. Электромагнитные, слабые и сильные
ядерные силы проявлялись всего лишь как части единого взаимодействия. В
настоящее время энергия вакуума равна нулю и фундаментальные силы различаются
по величине и типу, так что очень мало осталось от их первоначального
единства. Каким же образом была нарушена исходная симметрия?
По мере того как Вселенная расширялась и охлаждалась после Большого взрыва,
вакуум проходил через быструю последовательность изменений, называемых
фазовыми переходами. Наиболее известны фазовые переходы, которые происходят в
воде при ее охлаждении, когда она переходит из пара в жидкость и, наконец, в
лед. Фазовые переходы можно описывать также в терминах нарушения симметрии:
они часто переводят симметричные состояния в несимметричные. Например,
кристалл - менее симметричное состояние по сравнению с жидкостью, поскольку
жидкость "выглядит одинаковой" во всех направлениях, тогда как в
кристаллической решетке различные направления не эквивалентны.
Никто не знает точно, сколько фазовых переходов произошло в "молодом"
вакууме. Однако все они должны были протекать в течение первой секунды от
начала расширения Вселенной. Так же, как и фазовые переходы в обычных средах,
космологические фазовые переходы приводят к образованию дефектов. Внутри
дефектов симметрия не нарушена, и ранний, более молодой вакуум остался в них
как в ловушках. Различные теории элементарных частиц предполагают разные виды
дефектов. Согласно некоторым теориям, дефекты должны существовать в виде
поверхностей, в других - предсказываются линии или точки. Эти типы дефектов
называют соответственно стенками доменов, струнами и монополями.
Таким образом, космические струны являются всего лишь одним из трех возможных
типов "разрывов" в свойствах вакуума. Почему же в теории образования галактик
выделяются именно они? Как это ни странно, но одна из причин заключается в
том, что струны не так ярко себя проявляют, как другие типы дефектов. В
соответствии с эйнштейновским соотношением между массой и энергией
высокоэнергетический вакуум должен обладать огромной массой. Поэтому дефекты
могут оказывать чрезвычайно сильное влияние на эволюцию Вселенной. В
настоящее время одна-единственная стенка домена, простирающаяся в современной
Вселенной, может иметь гораздо большую массу, чем все вещество во Вселенной
вместе взятое, и привести к большему окучиванию галактик, чем это есть на
самом деле. Хотя одиночный монополь может "ускользнуть" от регистрации,
теории предсказывают существование монополей в огромном количестве. Если бы
они существовали, то Вселенная буквально "кишела" бы ими, и не заметить их
было невозможно. Тем не менее ни стенки доменов, ни монополи не обнаружены.
Космические струны также никто не видел, но физики и не считают, что их можно
непосредственно наблюдать. Первая работа, посвященная космическим струнам,
была написана в середине 1970-х годов английским космологом Т. Кибблом. Он
исследовал, как струны могли бы образоваться в ранней Вселенной, и в работе
1976 года обсуждал некоторые вопросы их эволюции. В России данную проблему
активно разрабатывал Я.Б. Зельдович. Он считал, что с помощью струн можно
было бы объяснить клочковатость распределения вещества во Вселенной.
Физические свойства струн оказались очень привлекательными и уникальными.
Теория космических струн быстро стала как бы центром притяжения для физиков,
подобно тому как сами струны якобы являются центром притяжения для звезд и
галактик. На читателей обрушилась целая лавина работ по космическим струнам,
хотя до сих пор не найдено прямое эмпирическое доказательство их
существования. Но даже при отсутствии эмпирических данных физики смогли
воссоздать более чем странные контуры свойств космических струн. Некоторые их
свойства зависят от конкретной теории элементарных частиц, предсказывающей
эти свойства, тогда как другие особенности являются общими для всех теорий.
Космические струны представляют собой тонкие трубки из симметричного
высокоэнергетического вакуума. У них нет концов, они либо образуют замкнутые
кольца, либо простираются до бесконечности. С точки зрения физики сущность
струн определяется энергией вакуума, который в них заключен. Струны с
наиболее симметричным вакуумом, в котором все виды взаимодействий - сильное,
слабое и электромагнитное - объединены в одно, наиболее тонкие и массивные.
Это - самые интересные объекты для космологии, поскольку именно они могли бы
приводить к образованию галактик. Толщина этих струн равна примерно 10-30 см.
Они поразительно массивны: один сантиметр такой струны должен весить 1016
тонн. Натяжение в струнах под стать их массе. Это натяжение заставляет
замкнутые петли из струн энергично осциллировать со скоростью, близкой к
скорости света. Например, кольцо длиной в световой год совершит одно
колебание за время, чуть большее года. (Мера длины один световой год - это
расстояние, которое проходит свет за один год).
Итак, еще одна экстравагантная гипотеза. Но сколь бы ни выглядела
правдоподобной и привлекательной изложенная выше в общих чертах, следует
относиться к ней трезво, отдавая полный отчет, что перед нами всего лишь
очередное (старое, как мир!) овеществление математических отношений (то есть
систематизированных в виде формул абстрактных понятий), наподобие уже
рассмотренной выше субстанциализированной кривизны.
Несмотря на все вышеописанные теории, ученые понимали, что ответ на вопрос
«откуда, собственно, появилась Вселенная» они так и не получили. В надежде
уклониться от ответа на этот вопрос, некоторые ученые предложили теорию так
называемой "бесконечно пульсирующей Вселенной". В соответствии с этой
теорией, Вселенная расширяется, а затем сжимается до сингулярности, затем вновь
расширяется и снова сжимается. У нее нет ни начала, ни конца. Это снимает
вопрос о происхождении Вселенной - она ниоткуда не возникает, а существует
вечно.
Но и эта модель не лишена серьезных недостатков. Прежде всего, до сих пор
никто не смог удовлетворительно объяснить механизм пульсирования. Далее, в
своей работе "Первые три минуты" С. Вайнберг утверждает, что каждый цикл
расширения и сжатия должен приводить к определенным прогрессирующим
изменениям во Вселенной, а это значит, что у Вселенной должно быть начало,
иначе вся история Вселенной будет регрессом, растянувшимся на вечностью.
Таким образом, перед нами вновь встает вопрос о происхождении Вселенной.
Другой попыткой уйти от вопроса о происхождении Вселенной была предложенная
английским астрофизиком П. Дэвисом модель "пульсирующей Вселенной с
обращением хода времени". Согласно этой теории, Вселенная сначала
расширяется, а затем сжимается до сингулярности, причем в начале каждого
следующего цикла расширения-сжатия время поворачивает вспять, приводя, в конце
концов, к сингулярности, с которой начинался предыдущий цикл. Согласно этой
модели, прошлое становится будущим, а будущее - прошлым, так что понятие
"начало Вселенной" лишается смысла. Этот сценарий дает некоторое представление
о том, на какие ухищрения вынуждены пускаться ученые-космологи, чтобы как-то
объяснить происхождение Вселенной.
Перейдем теперь к еще одной, не менее интересной теории возникновения мира. Это
Антропный принцип. В чем его сущность?
Антропный (человеческий) принцип первым сформулировал в 1960 году Иглис Г.И.
, но он является как бы неофициальным его автором. А официальным автором был
ученый по фамилии Картер.
Антропный принцип говорит о том, что в начале вселенной был план мироздания,
венцом этого плана является возникновение жизни, а венцом жизни - человек.
Антропный принцип очень хорошо укладывается в религиозную концепцию
программирования жизни.
Антропный принцип утверждает, что вселенная такая, какая она есть потому, что
есть наблюдатель или же он должен появиться на определенном этапе развития. В
доказательство вышеизложенного создатели этой теории приводят очень
интересные факты. Это Критичность Фундаментальных Констант и Совпадение
Больших Чисел.
Рассмотрим первый факт. Фундаментальными константами называются:
скорость света - С
постоянная планка - h
заряд электрона - е
масса электрона - mе
масса протона - mр
масса нейтрона - mn
средняя плотность во вселенной
гравитационная постоянная
электромагнитная постоянна
Исходя из этих констант обнаружили их взаимосвязь:
между массой протона, электрона и нейтрона:
mр - mn > me
me = 5,5x10 г/моль
mp - mn=13,4x10 г/моль,
а также критичность значений плотности во вселенной:
q = 10 г/см
если q>10 , то вселенная пульсирующая;
если q<10 , то во вселенной будет отсутствовать тяготение.
Теперь рассмотрим Совпадение Больших Чисел (фундаментальных констант).
r вселенной / r e =10
τ /re =10
qe /q вселенной =10
τ- возраст образования вселенной
Возраст образования вселенной был запрограммирован в момент Большого Взрыва и
определяется как 15-20 млрд. лет.
Как мы видим из всего выше изложенного, сам факт связи фундаментальных
констант неоспорим. Они полностью взаимосвязаны и их малейшее изменение
приведет к полному хаосу. То, что такое явное совпадение и даже можно сказать
закономерность существует, дает этой безусловно интересной теории шансы на
жизнь. Хотя наука и не признает ее, но в связи с той неопределенностью и
противоречием, которое существует в самой науке, я бы не стал списывать со
счетов эту теорию, а принял бы ее как один из вариантов.
Выводы
Как видно из написанной работы взглядов на происхождение вселенной очень
много. При этом одни теории подтверждены больше, другие – меньше. Хотя, как
мы увидели, все эти «подтверждения» очень относительные. И все вышеописанные
теории тоже очень шатки и относительны. Теория Большого взрыва, которой как
бы верят больше всего, мы увидели, что она тоже вероятностного характера,
однозначного ответа на данный вопрос нет, есть более и менее обоснованные
предположения.
Приложение 1
Подробные сведения о Большом взрыве и точке сингулярности
По современным представлениям, состояние расширяющейся Вселенной в прошлом
(около 13 млрд. лет назад), когда ее средняя плотность в огромное число раз
превышала нынешнюю. Периодом Большого взрыва условно называют интервал
времени от 0 до нескольких сот секунд. В самом начале этого периода вещество
во Вселенной приобрело колоссальные относительные скорости (отсюда название).
Наблюдаемыми свидетельствами периода Большого взрыва в настоящее время
являются реликтовое излучение, значения концентраций водорода, гелия и
некоторых других легких элементов, распределение неоднородностей во Вселенной
(например, галактик)
Сценарий Большого взрыва
Как и любая схема, претендующая на объяснение данных о спектре микроволнового
космического излучения, химического состава догалактического вещества и
иерархии масштабов космических структур, стандартная модель эволюции
Вселенной базируется на ряде исходных предположений (о свойствах материи,
пространства и времени), играющих, роль своеобразных "начальных условий
расширения мира. В качестве одной из рабочих гипотез этой модели выступает
предположение об однородности и изотропии свойств Вселенной на протяжении
всех этапов ее эволюции.
Кроме того, основываясь на данных о спектре микроволнового излучения,
естественно предположить, что во Вселенной в прошлом существовало состояние
термодинамического равновесия между плазмой и излучением, температура которого
была высока. Наконец, экстраполируя в прошлое законы возрастания плотностей
вещества и энергии излучения, нам придется предположить, что уже при
температуре плазмы, близкой к 1010 К, в ней, существовали протоны и
нейтроны, которые были ответственны за формирование химического состава
космического вещества.
Очевидно, что подобный комплекс начальных условий нельзя формально
экстраполировать на самые ранние этапы расширения Вселенной, когда температура
плазмы превышает 1012 К поскольку в этих условиях произошли бы
качественные изменения состава материи, связанные, в частности, с кварковой
структуры нуклонов. Этот период, предшествующий этапу с температурой около 10
12 К, естественно отнести к сверх ранним стадиям расширения Вселенной, о
которых, к сожалению, в настоящее время известно еще очень мало.
Дело в том, что по мере углубления в прошлое Вселенной мы неизбежно
сталкиваемся с необходимостью описывать процессы взаимопревращений
элементарных частиц со все большей и большей энергией, в десятки и даже
тысячи раз превышающей порог энергий, доступных исследованию на самых мощный
современных ускорителях. В подобной ситуации, очевидно, возникает целый
комплекс проблем, связанных, во-первых, с нашим незнанием новых типов частиц,
рождающихся в условиях высоких плотностей плазмы, а во-вторых, с отсутствием
"надежной" теории, позволившей бы предсказать основные характеристики
космологического субстрата в этот период.
Однако даже не зная в деталях конкретных свойств сверхплотной плазмы при высоких
температурах, можно предположить, что, начиная с температуры чуть меньше, 10
12 К ее характеристики удовлетворяли условиям, Перечисленным в начале
этого раздела. Иначе говоря, при температуре около 1012 К материя во
Вселенной была представлена электрон-позитронными парами (е-, е
+); мюонами и антимюонами (м-, м+); нейтрино и
антинейтрино, как электронными (vе, vе), так и мюонными
(vм, vм) и тау-нейтрино (vt, vt);
нуклонами (протонами и нейтронами) и электромагнитным излучением.
Взаимодействие всех этих частиц обеспечивало в плазме состояние
термодинамического равновесия, которое, однако, изменилось по мере расширения
Вселенной для различных типов частиц. При температурах меньше 1012 К
первыми это "почувствовали" мюон-антимюонные пары, энергия покоя которых
составляет примерно 106 МэВ8. Затем уже при температуре порядка 5x10
9 К аннигиляция электрон-позитронных пар стала преобладать над процессами
их рождения при взаимодействии фотонов, что в конечном итоге привело к
качественному изменению состава плазмы.
Начиная с температур Т<109 К, основную роль в динамике расширения
Вселенной стали играть электронные, мюонные и тау-нейтрино, а также
электромагнитное излучение. Как же перераспределилась энергия, которая была
"запасена" на лептонной стадии в массивных частицах?
Оказывается, она пошла на "нагрев" излучения, а вместе с тем и частиц,
находящихся при температурах больше 5x109 К в равновесии с
излучением. Действительно, небольшое увеличение плотности фотонов, вызванное
аннигиляцией мюонов и антимюонов, автоматически приводит к увеличению
концентрации электрон-позитронных пар, которые взаимодействуют с фотонами в
реакции Y+Y -> е- + е+. В свою очередь, электроны и
позитроны могут рождать пары нейтрино и антинейтрино.
Таким образом, весь избыток энергии мюонов после их аннигиляции
перераспределится между различными компонентами плазмы. Подобная "перекачка"
энергии массивных частиц ко все более легким должна была осуществляться лишь до
тех пор, пока не стали аннигилировать самые легкие заряженные лептоны -
электроны и позитроны, которые в последний раз "подогрели" излучение при
температуре около 5x109 К. После этот момента доминирующую роль в
расширении Вселенной играло электромагнитное излучение, и лептонная эра
"температурной" истории космической плазмы сменилась эрой преобладания
радиации.
Фактически именно в этот период при температурах плазмы около 5x109 К
произошло формирование равновесного спектра электромагнитного излучения,
дошедшего до нас в форме микроволнового реликтового фона. Именно в ходе
аннигиляции электрон-позитронных пар практически вся энергия, запасенная в этом
компоненте, была передана электромагнитному излучению, плотность энергии
которого увеличилась. Оставшиеся от эпохи аннигиляции электроны, сталкиваясь с
квантами излучения, участвовали в обмене энергией между подсистемами плазмы.
Кроме того, столкновения электронов с протонами сопровождались высвечиванием
квантов, в результате чего спектр электромагнитного излучения должен был стать
характерным для равновесного распределения.
Уже в конце эпохи доминирования радиации при температурах, близких к 104
К, взаимодействие свободных электронов с протонами сопровождалось образованием
атомов водорода и уменьшением доли свободных носителей электрического заряда.
При этом рассеяние квантов на электронах становилось все менее эффективным и,
наконец, начиная с периода, характерного падением температуры ниже 3000 К,
распространение фотонов осуществлялось практически свободно. Температура
электромагнитного излучения после его отделения от плазмы уменьшалась лишь
вследствие расширения Вселенной, которое смещало спектр квантов в миллиметровый
и сантиметровый диапазоны.
Этот микроволновый фон является, таким образом, своеобразным отпечатком
ранних высокотемпературных стадий эволюции Вселенной - реликтом,
доказывающим, что в прошлом эта подсистема определяла основные характеристики
космологической плазмы. Однако помимо фона микроволнового излучения, до нас
должен был дойти еще один "отзвук" радиационно доминированной эры расширения
Вселенной. Речь идет о ядрах и изотопах легких химических элементов,
образование которых в рамках модели Большого взрыва должно было произойти
примерно за миллион лет до эпохи отделения вещества от излучения.
История вопроса о происхождении химических элементов восходит к пионерским
работам основоположника теории "горячей Вселенной" Г. А. Гамова. Задача,
которую ставили перед собой Г. А. Гамов и его сотрудники в конце 40-х годов
нашего столетия, с позиций сегодняшнего дня представляется неразрешимой.
Авторы надеялись с помощью процессов слияния протонов и нейтронов в ядра
химических элементов объяснить происхождение практически всех элементов
таблицы Менделеева еще на ранних этапах расширения Вселенной. В те годы,
когда ядерная физика делала буквально первые шаги, еще не было известно, что
в природе не существует стабильных ядер с атомными весами А=5 и А=8, и
цепочка последовательных присоединений протонов и нейтронов с образованием
дейтерия, гелия-3, трития и гелия-4 имеет обрыв уже буквально на следующем
шаге.
Г. А. Гамова вдохновляла еще одна, как теперь ясно, неверная предпосылка. В
те годы постоянную Хаббла считали в 5 - 10 раз большей, чем находят сейчас.
0тсюда следовало, что возраст Метагалактики должен был составлять лишь
несколько миллиардов лет, т.е. столько же, сколько, согласно геологическим
данным, "живет" Земля. Поэтому казалось, что все химические элементы "от мала
до велика" должны были сформироваться в едином процессе космологического
нуклеосинтеза, если, конечно, предполагать, что Вселенная в прошлом была
горячей. Г. А. Гамов предсказал и современную температуру реликтового
излучения - порядка 5 К, как видим, значение, весьма близкое к
действительности.
На самом же деле, из-за того что возраст Метагалактики на порядок больше, чем
предлагал Г. А. Гамов, термоядерном котле горячей Вселенной успели бы
"сварится" только самые легкие элементы (до гелия, а возможно, до лития
включительно). Затем температура упала вследствие расширения настолько, что
дальнейший синтез элементов должен был остановиться. Более тяжелые элементы,
как теперь предполагают, образовались в термоядерных реакциях в недрах звезд,
и при вспышках Сверхновых.
Как часто случалось в истории науки, несмотря, на неверные предпосылки, Г. А.
Гамов "угадал" горячее прошлое Вселенной, триумфально подтвержденное
открытием реликтового радиофона. Каким же, образом в высокотемпературной
плазме формировался изотопный состав догалактического вещества?
Оказывается, одну из главных ролей в этом процессе играли реакции слабого
взаимодействия электронных нейтрино и антинейтрино с протонами и нейтронами.
Еще на лептонной эре расширения Вселенной при температуре выше 1010
К столкновения нейтрино vе, vе с протонами р и нейтронами
n эффективно перемешивали эти частицы в реакциях.
Начиная с температуры 1010 К, характерное время этих реакций близко к
возрасту Метагалактики, и они приостанавливаются. Расчеты показывают, что к
этому моменту концентрация нейтронов стала меньше концентрации протонов из-за
небольшой разности их энергий покоя.
Этот контраст "замораживался" практически до тех пор, пока температура не
уменьшилась до 109 К. После этого вся последовательность
взаимопревращения нуклонов в ядра 4Не, 3Не, 2
Н, 3Н осуществлялась в два этапа. На первом при температурах плазмы
порядка 109 К происходило слияние протонов и нейтронов в ядра
дейтерия n+p -> 2Н+Y. Расчеты показывают, что до тех пор, пока
практически все протоны и нейтроны не связались в ядра дейтерии, гелия-3 (
2Н+р 3Не+Y ) и трития (2Н+n 3Н+Y ),
синтез 4Не происходил крайне неэффективно. После этого в действие
вступили столкновения ядер дейтерия между собой и с ядрами 3Н и
3Не, приведшие к появлению ядер гелия-4, причем длительность этапа синтеза
4Не крайне мала.
Как видно, уже при температуре 5x107 К сформировался практически весь
первичный химический состав вещества: около 23 - 26% нуклонов связалось в ядра
4Не; 74 - 77% по массе составляет водород и лишь 0,01 - 0,0001% -дейтерий,
гелий-3 и тритий. Заслуживает внимания то обстоятельство, что
распространенность дейтерия во Вселенной весьма чувствительна к современной
плотности вещества. При изменении рm(0) от 1,4x10-31 до
7x1030 г/см3 его относительная концентрация (2Н/Н)
уменьшается практически на семь порядков. В меньшей мере от величины
современной плотности барионов зависит массовое содержание 4Не,
однако, и оно возрастает примерно в 2 раза.
Этой особенностью можно воспользоваться для предсказания сегодняшней плотности
вещества во Вселенной, если известна наблюдаемая распространенность космических
гелия-4 и дейтерия. Однако значительным препятствием на пути реализации этой
программы является искажение первичного химического состава вещества на стадии
существования галактик и звезд. Например, в Солнечной системе измерения дают
примерно 20 - 26%-ную вариацию массовой концентрации 4Не
относительно водорода. В солнечном ветре эта величина колеблется еще
значительнее - от 15 до 30%.
Спектроскопические измерения линий поглощения и эмиссии гелия в атмосферах,
ближайших к Солнцу звезд, свидетельствуют также о наличии вариаций в его
массовой концентрации от 10 до 40 %. Присутствие 4Не обнаруживают и
в наиболее старых объектах нашей Галактики - шаровых скоплениях, где его
распространенность колеблется от 26 до 28%. Все это, естественно, снижает
преимущества использования данных о галактическом содержании 4Не
для определения величины современной плотности вещества, совместимой с моделью
Большого взрыва.
В этом аспекте более информативными оказываются данные, получаемые из
сопоставления космологической продукции дейтерия и его современной
распространенности в Галактике. В отличие от 4Не этот изотоп лишь
выгорает в ходе образования звезд, и, следовательно, сегодня речь может идти
лишь об определении нижней границы его плотности массы. Наблюдения линий
поглощения атомарного дейтерия в межзвездной среде, а также регистрация
излучения молекул HD, DCN показывают, что содержание этого изотопа в Галактике
составляет примерно в пределах от 0,001 до 0,00001% от массы водорода. Это
соответствует современной плотности вещества рm(0)=1,4x10-31
г/см3.
Любопытно, что, помимо объяснения химического состава ранней Метагалактики,
теория космологического нуклеосинтеза позволяет получить уникальную
информацию о пространственной плотности трудно наблюдаемых частиц, дошедших
до эпохи доминирования лептонов от предыдущих этапов космологического
расширения. В частности, основываясь на этой теории, можно ограничить число
возможных типов нейтрино, которые в последнее время стали объектом
пристального внимания космологов.
Еще каких-нибудь 6 - 7 лет назад этот вопрос стоял как бы на втором плане в
модели "горячей Вселенной". Считалось, что решающую роль в формировании
химического состава догалактического вещества играли электронные нейтрино и
антинейтрино и в меньшей степени - мюонные нейтрино Vm, Vm
. Эксперимент не давал оснований предполагать, что в природе существуют иные
типы слабовзаимодействующих нейтральных лептонов, а космологи предпочитали
руководствоваться принципом "бритвы Окаама": entia non sunt multiplicanda
praenter necessitatem(" сущности не должны быть умножаемы сверх
необходимости").
Ситуация в этом вопросе радикально изменилась после открытия в 1975 г. тяжелого
заряженного тау-лептона, которому должен был соответствовать новый тип нейтрино
- vt. Сейчас уже не вызывает сомнений, что семейство нейтрино
пополнилось новым членом, энергия покоя которого не превышает 250 МэВ. Возникла
любопытная ситуация - современные ускорители элементарных частиц приблизились
лишь к энергиям порядка 105 МэВ и уже появился новый тип нейтрино.
Что кроется за этим порогом энергий? Не ожидает ли нас в будущем
катастрофическое увеличение числа членов семейства лептонов по мере
проникновения в глубь микромира?
Оказывается, на этот вопрос модель "горячей Вселенной" дает вполне определенный
ответ. Если бы в природе, помимо vе, vm, vt
существовали новые типы нейтрино, энергии покоя которых не превышали бы 30 - 50
эВ, их роль в период космологического нуклеосинтеза свелась бы к увеличению
скорости охлаждения плазмы и, следовательно, изменились бы условия образования
химических элементов. Впервые подобная роль слабовзаимодействующих частиц в
динамике космологического синтеза легких химических элементов была отмечена в
1969 г. советским астрофизиком В. Ф. Шварцманом, и за последнее десятилетие
уточнялась лишь количественная сторона вопроса.
Расчеты показывают, что если за верхнюю границу распространенности
догалактического гелия-4 принять его массовую концентрацию 25%, то неизбежно
следует вывод, что все возможные типы нейтрино в природе уже открыты. С
некоторой осторожностью, связанной с недостаточной точностью наблюдательных
данных о распространенности космических 4Не и 2Н, можно
считать, что, помимо vе, vm, vt существует не
более еще двух типов новых нейтрино. Это обстоятельство играет существенную
роль при анализе проблемы скрытой массы Вселенной.
Итак, в общих чертах мы познакомились с двумя важнейшими эпохами
"температурной" истории космологической плазмы, на протяжении которых
произошло формирование первичного химического состава вещества и спектра
микроволнового реликтового излучения. Однако изложенная выше схема нуждается
в существенном дополнении, поскольку в ней не нашел еще отражения факт
существования крупномасштабной структуры Вселенной - скоплений и
сверхскоплений галактик.
Действительно, после аннигиляции электрон-позитронных пар во Вселенной (T=5x10
9 К) наиболее распространенным компонентом высокотемпературной
космологической плазмы стало электромагнитное излучение, которое после
рекомбинации водорода перестало взаимодействовать с веществом. Равновесный
характер спектра этого излучения обусловлен существованием продолжительной фазы
расширения, когда между фотонами и электронами происходило интенсивное
взаимодействие. После рекомбинации водорода и гелия Вселенная должна была
оказаться заполненной однородно распределенными веществом и излучением. И
сейчас не должно было быть никакой структуры - ни звезд, ни галактик, ни нас.
Вполне удручающая картина.
Эти предсказания, очевидно, весьма далеки от наблюдаемого многообразия
структурных форм материи во Вселенной. Напрашивается вывод, что для
объяснения наблюдаемой структуры, еще на ранних этапах расширения Вселенной
должны существовать флуктуации - хотя и малые, но конечные отклонения
плотности материи от однородного и изотропного распределения в пространстве
Большие проблемы Большого взрыва
При внимательном рассмотрении космологическая теория происхождения и
структуры вселенной начинает трещать по швам.
Взгляните на усыпанное звездами ночное небо. Как возникли все эти
бесчисленные звезды и планеты? Большинство современных ученых, скорее всего,
ответит на этот вопрос, сославшись на одну из версий теории "большого
взрыва". В соответствии с этой теорией, вначале вся материя Вселенной была
сосредоточена в одной точке и разогрета до очень высокой температуры. В некий
момент времени произошел ужасающей силы взрыв. В расширяющемся облаке
перегретых субатомных частиц постепенно стали формироваться атомы, звезды,
галактики, планеты, и, наконец, зародилась жизнь. В настоящее время этот
сценарий обрел статус непреложной истины.
Спору нет, теория большого взрыва захватывает воображение и мало кого
оставляет равнодушным. И поскольку она как будто основана на фактическом
материале и подкреплена математическими выкладками, большинству людей она
представляется более приемлемой, чем религиозные объяснения возникновения
Вселенной. Однако космологическая теория большого взрыва является лишь
последней из целого ряда попыток объяснить зарождение Вселенной с позиций
механистического мировоззрения, согласно которому мир (и человек в том числе)
представляет собой порождение материи, функционирующей в строгом соответствии
с законами физики.
Попытки ученых создать чисто физическую модель происхождения Вселенной
основываются на трех постулатах:
1) все явления природы могут быть исчерпывающе объяснены физическими
законами, выраженными в математической форме;
2) эти физические законы универсальны и не зависят от времени и места;
3) все основные законы природы просты.
Многие люди принимают эти постулаты как нечто само собой разумеющееся, но на
самом деле никто и никогда не мог доказать их истинности, более того,
доказать их справедливость далеко не просто. По сути дела, они являются
всего-навсего составной частью одного из подходов к описанию реальности.
Рассматривая сложнейшие явления, с которыми сталкивается всякий изучающий
Вселенную, ученые избрали редукционистский подход. "Давайте, - говорят они, -
замерим параметры физических явлений и попробуем описать их с помощью простых
и универсальных физических законов". Однако, строго говоря, у нас нет никаких
логических оснований заранее отвергать альтернативные подходы к пониманию
Вселенной. Нельзя исключить, что в основе Вселенной лежат принципиально иные
законы, не поддающиеся простому математическому выражению. И тем не менее
многие ученые, путая свое понимание Вселенной с ее истинной природой, заранее
отвергают альтернативные подходы. Они настаивают на том, что все явления во
Вселенной можно описать с помощью простых математических законов. "Мы
надеемся уложить все мироздание в простую и короткую формулу, которую можно
будет печатать на майках", - утверждает Л. Ледерман, директор Национальной
лаборатории ядерной физики им. Ферми в Батавии, штат Иллинойс.
Существует несколько психологических причин, заставляющих ученых держаться за
редукционистский подход. Если структура Вселенной может быть описана простыми
количественными законами, то у ученых, несмотря на ограниченность
человеческого разума, появляется надежда рано или поздно понять эту структуру
(и таким образом получить ключ к управлению Вселенной). Поэтому они исходят
из того, что такое описание возможно, и создают тысячи различных теорий. Но
если наша Вселенная бесконечно сложна, то нам, с нашим ограниченным умом и
чувствами, будет очень трудно познать ее.
Продемонстрируем это на примере. Допустим, у нас имеется множество,
содержащее миллион цифр, и перед нами стоит задача описать структуру этого
множества одним уравнением. Практически это возможно в том случае, если
структура множества достаточно проста. Однако если его структура чрезвычайно
сложна, то нам вряд ли удастся даже определить вид формулы, описывающий ее.
Подобно этому, попытки ученых будут столь же безрезультатны, когда они
столкнутся со свойствами Вселенной, которые в принципе не поддаются
математическому описанию. Поэтому неудивительно, что большая часть ученых так
упорно держится за свою сегодняшнюю стратегию, не желая признавать никаких
других подходов. В этом они похожи на человека, который потерял на дороге
ключи от машины, а ищет их под уличным фонарем, просто потому, что там
светлее.
Однако на самом деле представления ученых о том, что физические законы,
открытые ими в лабораторных экспериментах здесь, на Земле, действуют во всей
Вселенной и на всех этапах ее эволюции, мягко говоря, необоснованны.
Например, у нас нет никаких оснований утверждать, что раз электрические поля
ведут себя определенным образом в лабораторных условиях, то они проявляли те
же свойства миллионы лет назад на расстоянии многих десятков световых лет от
Земли. Однако без таких допущений не может обойтись ни одна попытка
объяснения происхождения Вселенной. Ведь не можем же мы вернуться на
миллиарды лет назад, ко времени образования Вселенной, или получить прямую
информацию о том, что происходит за пределами Солнечной системы.
Некоторые ученые признают рискованность переноса наших весьма ограниченных
знаний на мироздание в целом. В 1980 году К. Болдинг в своем обращении к
Американской ассоциации развития науки сказал: "Космология... представляется
нам наукой, не имеющей под собой прочного основания, хотя бы потому, что она
изучает огромную Вселенную на примере небольшой ее части, исследования
которой не могут дать объективной картины реальности. Мы наблюдали ее на
протяжении очень короткого отрезка времени и имеем относительно полное
представление лишь о ничтожно малой части ее объема". Однако не только выводы
космологов не имеют под собой прочного основания, похоже, что сама попытка
создать простую математическую модель Вселенной не вполне корректна, и
сопряжена с трудностями принципиального характера.
Проблематичная сингулярность
Как гласит теория большого взрыва, Вселенная возникла из точки с нулевым
объемом и бесконечно высокими плотностью и температурой. Это состояние,
называемое сингулярностью, не поддается математическому описанию.
Пытаясь объяснить происхождение Вселенной, сторонники теории большого взрыва
сталкиваются с серьезной проблемой, поскольку исходное состояние Вселенной в
разработанной ими модели не поддается математическому описанию. Согласно всем
существующим теориям большого взрыва, вначале Вселенная представляла собой
точку пространства бесконечно малого объема, имевшую бесконечно большую
плотность и температуру. Такое начальное состояние в принципе не может быть
описано математически. Об этом состоянии ровным счетом ничего нельзя сказать.
Все расчеты заходят в тупик. Это все равно что заниматься делением какого-то
числа на ноль - что получится? 1? 5? 5 триллионов?.. Ответа на этот вопрос не
существует. На языке науки это явление называют "сингулярностью".
Профессор радиоастрономии Манчестерского университета Б. Лоувел писал о
сингулярностях следующее: "В попытке физически описать исходное состояние
Вселенной мы натыкаемся на препятствие. Вопрос в том, является ли это
препятствие преодолимым. Может быть, все наши попытки научно описать исходное
состояние Вселенной заранее обречены на неудачу? Этот вопрос, а также
концептуальные трудности, связанные с описанием сингулярной точки в исходный
момент времени, являются одной из основных проблем современной научной
мысли". Пока что это препятствие не смогли преодолеть даже самые выдающиеся
ученые, разрабатывающие теории большого взрыва.
Нобелевский лауреат С. Вайнберг отмечал: "К сожалению, я не могу начать свой
фильм [цветной документальный фильм о большом взрыве] с нулевой точки
отсчета, когда времени еще не существовало, а температура была бесконечно
велика". Таким образом, теория большого взрыва вообще не описывает
происхождение Вселенной, так как исходная сингулярность, по определению, не
поддается описанию.
Итак, теория большого взрыва сталкивается с непреодолимыми проблемами
буквально с самого начала. В научно-популярных изложениях теории большого
взрыва сложности, связанные с исходной сингулярностью, либо замалчиваются,
либо упоминаются вскользь, но в специальных статьях ученые, делающие попытки
подвести математическую базу под эту теорию, признают их главным
препятствием. Профессора математики С. Хоукинг из Кембриджа и Г. Эллис из
Кейптауна отмечают в своей монографии "Крупномасштабная структура
пространства-времени": "На наш взгляд, вполне оправданно считать физическую
теорию, которая предсказывает сингулярность, несостоявшейся". И далее:
"результаты наших наблюдений подтверждают предположение о том, что Вселенная
возникла в определенный момент времени. Однако сам момент начала творения,
сингулярность, не подчиняется ни одному из известных законов физики".
Понятно, что любая гипотеза о происхождении Вселенной, которая постулирует,
что исходное состояние Вселенной не поддается физическому описанию, выглядит
довольно подозрительно. Но это еще полбеды. Следующий вопрос: откуда взялась
сама сингулярность? И ученые вынуждены объявить математически неописуемую
точку бесконечной плотности и бесконечно малых размеров, существующую вне
пространства и времени, безначальной причиной всех причин.
Приложение 2
(интернет информация)
Теория происхождения вселенной: вначале была тьма...
9.11.2003 6:49 | MIGnews
Согласно новой модели формирования вселенной, предложенной астрофизиком
Государственного университета Нью-Йорка Кеннетом Ланцеттой, на протяжении
почти полумиллиарда лет после Большого Взрыва, формально считающегося
моментом ее рождения, все в мире было погружено во мрак. И "разорвал" этот
мрак гигантский звездный "взрыв", в результате которого вселенная начала
приобретать тот вид, который мы наблюдаем в наши дни.
Эта теория полностью опровергает уже устоявшееся мнение о том, что
формирование звезд шло постепенно после Большого Взрыва и достигло своего
пика примерно 5 миллиардов лет назад. На основании анализа данных,
полученного в результате наблюдений за зонами "глубокого космоса", Ланцетта
сделал вывод о том, что процесс формирования звезд начался гораздо раньше
Большого взрыва и проходил очень стремительно. Причем, чем процесс происходил
тогда и происходит в настоящее время тем интенсивнее, чем ближе проходил у
гипотетических "краев вселенной".
"Таким образом, - подводит итоги своего исследования Ланцетта, - начальной
фазой формирования вселенной стал чрезвычайно интенсивный процесс
формирования звезд. И то, что для нас было следствием, теперь можно назвать
первопричиной возникновения той вселенной, в рамках которой мы существуем".
Остальные ученые пока осторожно относятся к этой гипотезе, предлагая
проведение нескольких независимых исследований для ее подтверждения или
опровержения. Однако, как отмечает директор департамента физики и астрономии
NASA Энни Кинни, если эта гипотеза подтвердится, то всем нам придется
кардинально пересматривать практически все теории, связанные с процессом
формирования и существования вселенной.
MIGnews
Список литературы:
Для написания данной курсовой работы были использованы интернет-книги и
научные статьи, а также публикации научных сайтов. А именно это следующие
книги и работы:
1. «Большие проблемы Большого взрыва», журнал «Истоки», № 1 за 1999 г.
2. Выступление А.Д. Линде на Международной конференции, посвященной 100-летию
со дня рождения А.А. Фридмана в обзоре: Горячие точки космологии // Природа.
1989. No 7.
3. Демин В. Тайны вселенной. Часть 2.
4. Новиков И.Д. «Эволюция Вселенной», 3 издание, «Наука», Москва, 1993 г.
5. Хокинг С. От Большого взрыва до черных дыр: Краткая история времени. М.,
1990. С. 45-50.
| 
