Современные модели развития вселенной

     Возникли  два мнения по поводу состояния Метагалактики  до начала расширения. Согласно одному из них первоначальное вещество метагалактики  состояло из "холодной" смеси протонов, т.е. ядер атомов водорода, электронов и нейтронов. Согласно второй, температура была очень велика, а плотность излучения даже превосходила плотность вещества. Но после открытия в 1965 г. реликтового излучения А. Тицнасом и Р. Вилсоном предпочтение было отдано второй теории. После была представлена попытка представить ход событий на первых стадиях расширения Метагалактики: через 1с после начала расширения сверхплотной исходной плазмы плотность вещества снизилась до 500 кг/ см³, а t=10¹³ °С. В течение следующих 100с плотность снизилась до 50 г/см² температура упала. Объединились протоны и нейтроны => ядра гелия. При t=4000^о, это продолжалось несколько сотен тысяч лет. Затем, после того, как образовались атомы водорода, началось постепенное формирование горячих водородных облаков, из которых образовались галактики и звезды. Однако в процессе расширения могли сохраниться сгустки сверхплотного до звездного вещества, а в процессе их распада образовались звезды и галактики. Не исключено, что действовали оба механизма. Понятие Метагалактика не является вполне ясным. Оно сформировалось на основании аналогии со звездами. Наблюдения показывают, что галактики, подобно звездам, группирующиеся в рассеянные и шаровые скопления, также объединяются в группы и скопления различной численности. Вся охваченная современными методами астрономических наблюдений часть Вселенной называется Метагалактикой (или нашей Вселенной). В Метагалактике пространство между галактиками заполнено чрезвычайно разряженным межгалактическим газом, пронизывается космическими лучами, в нем существуют магнитные и гравитационные поля, и возможно невидимые массы веществ.

     В 1929 г. Хаббл открыл замечательную  закономерность, которая была названная "законом Хаббла" или "закон красного смещения".

     Объяснив  красные смещения эффектом Доплера (воспринимаемая частота волны зависит от относительной скорости ее источника), ученые пришли к выводу о том, что расстояние между нашей и другими галактиками непрерывно увеличивается. Хотя, безусловно, галактики не разлетаются во все стороны от нашей галактики, которая не занимает никакого особого положения в метагалактике, а происходит взаимное удаление всех галактик. Следовательно, Метагалактика не стационарна.

     Промежуток  расширения равен 20-13 млрд. лет. Расширение метагалактики является самым грандиозным  из известных в настоящие время явлением природы. Это открытие произвело коренное изменение во взглядах философов и ученых. Ведь некоторые философы ставили знак равенства между метагалактикой и вселенной, и пытались доказать, что расширение метагалактики подтверждает религиозное представление о божественности происхождения вселенной. Но Вселенной известны естественные процессы, по всей вероятности это взрывы. Есть предположение, что расширение метагалактики также началось с явления напоминающего. Колоссальный взрыв вещества, обладающего огромной температурой и плотностью.

     Эта теория называется теорией "горячей Вселенной". Чтобы сверхплотное вещество превратилось в вещество с близкой плотностью к плотности воды. Через несколько часов плотность почти сравнялась с плотностью нашего воздуха, а сейчас, по истечении миллиардов лет оценка средней плотности вещества в метагалактике приводит к значению порядка 10^-28 кг/м³.

     Но  все эти данные удалось получить только с помощью уникального  сложного оборудования позволяющего расширить  границы Вселенной. До сих пор  человечество совершенствует его, изобретали все более гениальные приборы, но еще на заре цивилизации, когда пытливый человеческий ум обратился к заоблачным высотам, великие философы мыслили  свое представление о Вселенной, как о чем-то бесконечном.

     Древнегреческий философ Анаксимандр (VI в. до н.э.) ввел представление о некой единой беспредельности, не обладавшей ни какими привычными наблюдениями, качествами, первооснове всего – апейроне (нечто беспредельное, безграничное, бесконечное).

     Древнегреческим философам принадлежит ряд гениальных догадок об устройстве Вселенной. Анаксимандр  высказал идею изолированности Земли, в пространстве. Эйлалай первым описал пифагорейскую систему мира, где Земля, как и Солнце, обращались вокруг некоего "гигантского огня". Шарообразность Земли утверждал другой пифагореец Парменид (VI-V в. в. до н.э.). Гераклит Понтийский (V-IV в до н.э.) утверждал так же ее вращение вокруг своей оси и донес до греков еще более древнюю идею египтян о том, что само солнце может служить центром вращение некоторых планет (Венера, Меркурий).

     Французский философ и ученый, физик, математик, физиолог Рене Декарт (1596-1650) создал теорию об эволюционной вихревой модели Вселенной на основе гелиоцентрализма. В своей модели он рассматривал небесные тела и их системы в их развитии. Для XVII в. в. его идея была необыкновенно смелой. По Декарту, все небесные тела образовывались в результате вихревых движений, происходивших в однородной в начале, мировой материи. Совершенно одинаковые материальные частицы, находясь в непрерывном движении и взаимодействии, меняли свою форму и размеры, что привело к наблюдаемому нами богатому разнообразию природы.

     Солнечная система согласно Декарту, представляет собой один из таких вихрей мировой  материи. Планеты не имеют собственного движения – они движутся, увлекаемые мировым вихрем. Декарт внес и новую  идею для объяснения тяжести: он считал, что в вихрях, возникающих вокруг планет частицы давят друг на друга  и тем вызывают явление тяжести (например на Земле). Таким образом, Декарт, первым стал рассматривать тяжесть не как врожденное, а как производное качество тел.

     Великий немецкий ученый, философ Иммануил Кант (1724-1804) создал первую универсальную концепцию эволюционирующей Вселенной, обогатив картину ее ровной структуры, и представил 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 системных и кончая миром туманности.

     Эйнштейн  совершил радикальную научную революцию, введя свою теорию относительности. Это было сравнительно просто, как  и всё гениальное. Ему не пришлось предварительно открыть новые явления, установить количественные закономерности. Он лишь дал принципиально новое  объяснение.

     Эйнштейн  раскрыл более глубокий смысл  установленных зависимостей, эффектов уже связанных в некую физико-математическую систему (в виде постулатов Пуанкаре). Заменив в данном случае теорию абсолютности пространства и времени идеей их относительности, которую теперь уже не связывали с идеей абсолютного в пространстве, абсолютной системы отсчета. Такой переворот снимал основное противоречие, создававшее кризисную ситуацию, в теоретическом осмыслении действия. Более того, открылся путь для дальнейшего проникновения в свойства и законы окружающего мира, настолько глубоко, что сам Эйнштейн не сразу осознал степень революционности своей идеи.

     В статье от 30.06.1905 г., заложившей основы специальной теории относительности  Эйнштейн, обобщая принципы относительности  Галилея, провозгласил равноправие  всех инерциальных систем отсчета не только в механических, но также электромагнитных явлений.

     Специальная или частная теория относительности  Эйнштейна явилась результатом  обобщения механики Галилея и  электродинамики Максвелла Лоренца. Она описывает законы всех физических процессов при скоростях движения близких к скорости света.

     Впервые принципиально новые космологические  следствия общей теории относительности  раскрыл выдающийся советский математик  и физик – теоретик Александр Фридман (1888-1925 гг.). Выступив в 1922-24 гг. он раскритиковал выводы Эйнштейна о том, что Вселенная конечна и имеет форму четырехмерного цилиндра. Эйнштейн сделал свой вывод исходя из предположения о стационарности Вселенной, но Фридман показал необоснованность его исходного постулата.

     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.

     Этим  Фридман доказал, что вещество во Вселенной не может находиться в  покое. Своими выводами Фридман теоретически способствовал открытию необходимости  глобальной эволюции Вселенной.  

2. Современные модели развития Вселенной

     2.1. Теории эволюции Вселенной

     Существует  несколько теорий эволюции:

     Теория  стационарного взрыва

     Главная идея этой теории заключается в следующем: по мере того как галактики удаляются  друг от друга при хаббловском расширении, в увеличивающемся пространстве между ними образуется новая материя. Вновь образованная материя со временем самоорганизуется в галактики, которые, в свою очередь, будут удаляться друг от друга, высвобождая пространство для образования новой материи. Таким образом, наблюдаемое расширение было согласовано с понятием "стационарной" Вселенной, сохраняющей свою общую плотность и не имеющей единственной точки образования (наличие которой предполагает теория Большого взрыва).

     Теория  пульсирующей Вселенной

     Теория  пульсирующей вселенной, вариант теории большого взрыва, по которому Вселенная проходит последовательные периоды расширения и сжатия. В конце стадии сжатия, когда Вселенная концентрируется в маленьком объеме большой плотности, вероятно, происходит "разлет" Вселенной, называемый взрывом. Таким образом, по этой теории Вселенная бесконечно пульсирует между "Большим взрывом" и "Большим сжатием".  

     2.2. Большой взрыв

     Концепция Большого взрыва появилась с открытием  закона Хаббла. Этот закон описывает  простой формулой результаты наблюдений, согласно которым видимая Вселенная  расширяется, и галактики удаляются друг от друга. Нетрудно, следовательно, мысленно "прокрутить пленку назад" и представить, что в исходный момент, миллиарды лет назад, Вселенная пребывала в сверхплотном состоянии. Такая картина динамики развития Вселенной подтверждается двумя важными фактами.

1. Космический микроволновой фон

     В 1964 году американские физики Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили, что Вселенная наполнена электромагнитным излучением в микроволновом диапазоне частот. Последовавшие измерения показали, что это характерное классическое излучение черного тела, свойственное объектам с температурой около –270 °С (3 К), т. е. всего на три градуса выше абсолютного нуля.

     По  сути, Пензиас и Уилсон определили температуру составляющих Вселенной после того, как она остывала на протяжении 15 миллиардов лет: ее фоновое излучение оказалось в диапазоне микроволновых радиочастот.

     Исторически это открытие и предопределило выбор  в пользу космологической теории Большого взрыва. Другие модели Вселенной (например, теория стационарной Вселенной) позволяют объяснить факт расширения Вселенной, но не наличие космического микроволнового фона.

2. Изобилие легких элементов

     Ранняя  Вселенная была очень горячей. Даже если протоны и нейтроны при столкновении объединялись и формировали более  тяжелые ядра, время их существования  было ничтожным, потому что уже при  следующем столкновении с еще  одной тяжелой и быстрой частицей ядро снова распадалось на элементарные компоненты. Выходит, что с момента  Большого взрыва должно было пройти около  трех минут, прежде чем Вселенная  остыла настолько, чтобы энергия  соударений несколько смягчилась, и элементарные частицы начали образовывать устойчивые ядра. В истории ранней Вселенной это ознаменовало открытие окна возможностей для образования ядер легких элементов. Все ядра, образовывавшиеся в первые три минуты, неизбежно распадались; в дальнейшем начали появляться устойчивые ядра.

     Однако  это первичное образование ядер  на ранней стадии расширения Вселенной  продолжался очень недолго. Вскоре после первых трех минут частицы  разлетелись так далеко друг от друга, что столкновения между ними стали  крайне редкими, и это ознаменовало закрытие окна синтеза ядер. В этот краткий период первичного нуклеосинтеза в результате соударений протонов и нейтронов образовались дейтерий (тяжелый изотоп водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре), гелий-3 (два протона и нейтрон), гелий-4 (два протона и два нейтрона) и, в незначительном количестве, литий-7 (три протона и четыре нейтрона). Все более тяжелые элементы образуются позже - при формировании звезд.

     Теория  Большого взрыва позволяет определить температуру ранней Вселенной и  частоту соударений частиц в ней. Как следствие, мы можем рассчитать соотношение числа различных  ядер легких элементов на первичной  стадии развития Вселенной. Сравнив  эти прогнозы с реально наблюдаемым  соотношением легких элементов (с поправкой  на их образование в звездах), мы обнаруживаем впечатляющее соответствие между теорией и наблюдениями.