Теория большого взрыва и расширяющейся вселенной

В общем говоря, до сих пор для красною смещения существует только одно объяснение галактики удаляются от нас. Никакое другое осмысленное объяснение не может охватить все факты. И до тех пор, пока другое объяснение не будет найдено, астрономам остается только считать стремительное удаление галактик признанным фактом.

Хаббл, работавший параллельно с Хьюмасоном, естественно, заинтересовался удалением галактик. Он педантично оценивал расстояния до галактик всеми возможными способами. Для ближайших галактик он использовал цефеиды. Для тех, в которых из-за дальности расстояния обнаружить цефеиды было невозможно, он использовал любые звезды, которые мог различить, исходя при этом из предпосылки, что это сверхгиганты, такие же яркие, как S Золотой Рыбы. Если галактики были так далеки, что не удавалось различить ни одной звезды, он исходил из предположения, что в среднем общая светимость галактик примерно равна и что, следовательно, чем слабее галактика, тем она дальше. Естественно, при этом учитывался закон обратных квадратов. Если одна галактика была вчетверо слабее другой, значит, она находилась вдвое дальше. Если же она была слабее в девять раз, то находилась в три раза дальше, и т. д.

Произведя все эти оценки расстояний, Хаббл  затем воспользовался определением скоростей, проведенным Слайфером и Хьюмасоном, и доказал, что в среднем скорость удаления галактик возрастает пропорционально расстоянию, на котором эти галактики от нас находятся. Если одна галактика вдвое дальше от нас, чем другая, то она и удаляется вдвое быстрее. Если она в три раза дальше, то и скорость ее удаления втрое больше. Это так называемый закон Хаббла.

  Составной частью модели расширяющейся Вселенной  является представление о Большом  Взрыве, происшедшем где-то примерно 12 — 18 млрд. лет назад. «Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы» (Вейнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной.- М., 1981. - С. 30).

  Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 году реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной.

    Большой Взрыв – начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии.

    Примерно 15 миллиардов лет назад, в гигантском взрыве началась Вселенная – горячий Большой взрыв! Её последующая эволюция от одной сотой секунды до сегодняшнего дня может быть надежно описана моделью Большого взрыва. Эта модель включает расширение Вселенной, возникновение легких элементов и реликтовое излучение от первоначального ядра, а также общие контуры понимания формирования галактик и других крупномасштабных структур. Фактически, модель Большого взрыва в настоящее время является настолько хорошо подтвержденной, что её называют стандартной космологией.

    Согласно  космологической модели Фридмана –  Леметра, Вселенная возникла в момент Большого взрыва – около 20 млрд. лет  назад, и ее расширение продолжается до сих пор, постепенно, замедляясь. В первое мгновение взрыва материя Вселенной имела бесконечную плотность и температуру – такое состояние называют сингулярность.

    Согласно  общей теории относительности, гравитация не является реальной силой, а есть искривление пространства-времени: чем больше плотность материи, тем сильнее искривление. В момент начальной сингулярности искривление тоже было бесконечным. Можно выразить бесконечную кривизну пространства-времени другими словами, сказав, что в начальный момент материя и пространство одновременно взорвались везде во Вселенной.

    По  мере увеличения объема пространства расширяющейся Вселенной плотность  материи в ней падает. С.Хокинг и Р.Пенроуз доказали, что в  прошлом непременно было сингулярное  состояние, если общая теория относительности  применима для описания физических процессов в очень ранней Вселенной.

    Чтобы избежать катастрофической сингулярности  в прошлом, требуется существенно  изменить физику, например, предположив  возможность самопроизвольного  непрерывного рождения материи, как  в теории стационарной Вселенной. Но астрономические наблюдения не дают для этого никаких оснований.

    Изучая  процессы, происходившие сразу после  Большого взрыва, мы понимаем, что наши физические теории еще весьма несовершенны. Тепловая эволюция ранней Вселенной  зависит от рождения массивных элементарных частиц – адронов, о которых ядерная физика знает еще мало. Многие из этих частиц нестабильны и короткоживущи.

    Физик Р.Хагедорн считает, что может существовать великое множество адронов возрастающих масс, которые в изобилии могли  формироваться при температуре порядка 1012 К, когда гигантская плотность излучения приводила к рождению адронных пар, состоящих из частицы и античастицы. Этот процесс должен был бы ограничить рост температуры в прошлом.

    Согласно  другой точке зрения, количество типов массивных элементарных частиц ограничено, поэтому температура и плотность в период адронной эры должны были достигать бесконечных значений. В принципе это можно было бы проверить: если бы составляющие адронов – кварки – были стабильными частицами, то некоторое количество кварков и антикварков должно было сохраниться от той горячей эпохи. Но поиск кварков оказался тщетным; скорее всего, они нестабильны.

    После первой миллисекунды расширения Вселенной  сильное (ядерное) взаимодействие перестало  играть в ней определяющую роль: температура снизилась настолько, что атомные ядра перестали разрушаться. Дальнейшие физические процессы определялись слабым взаимодействием, ответственным за рождение легких частиц – лептонов (т.е. электронов, позитронов, мезонов и нейтрино) под действием теплового излучения. Когда в ходе расширения температура излучения понизилась примерно до 1010 К, лептонные пары перестали рождаться, почти все позитроны и электроны аннигилировали; остались лишь нейтрино и антинейтрино, фотоны и немного сохранившихся с предшествующей эпохи протонов и нейтронов. Так завершилась лептонная эра.

    Следующая фаза расширения – фотонная эра  – характеризуется абсолютным преобладанием  теплового излучения. На каждый сохранившийся  протон или электрон приходится по миллиарду фотонов. Вначале это были гамма-кванты, но по мере расширения Вселенной они теряли энергию и становились рентгеновскими, ультрафиолетовыми, оптическими, инфракрасными и, наконец, сейчас стали радиоквантами, которые мы принимаем как чернотельное фоновое (реликтовое) радиоизлучение.

    Первое  подтверждение факта взрыва пришло в 1964 году, когда американские радиоастрономы Р. Вильсон и А. Пензиас обнаружили реликтовое электромагнитное излучение  с температурой около 3° по шкале  Кельвина (–270°С). Именно это открытие, неожиданное для ученых, убедило их в том, что Большой взрыв действительно имел место и поначалу Вселенная была очень горячей. Теория Большого взрыва позволила объяснить множество проблем, стоявших перед космологией. Но, к сожалению, а может, и к счастью, она же поставила и ряд новых вопросов.

    Все это указывало на то, что теория Большого взрыва неполна. Долгое время  казалось, что продвинуться далее  уже невозможно. Только четверть века назад благодаря работам российских физиков Э. Глинера и А. Старобинского, а также американца А. Гуса было описано новое явление – сверх-быстрое инфляционное расширение Вселенной.

    Вопрос  о происхождении Вселенной со всеми ее известными и пока неведомыми свойствами испокон веков волнует  человека. Но только в XX веке, после обнаружения космологического расширения, вопрос об эволюции Вселенной стал понемногу проясняться.

    Последние научные данные позволили сделать  вывод, что наша Вселенная родилась 15 миллиардов лет назад в результате Большого взрыва. Но что именно взорвалось в тот момент и что, собственно, существовало до Большого взрыва, по-прежнему оставалось загадкой. Созданная в конце XX века инфляционная теория появления нашего мира позволила существенно продвинуться в разрешении этих вопросов, и общая картина первых мгновений Вселенной сегодня уже неплохо прорисована, хотя многие проблемы еще ждут своего часа.

  Возникает интересный вопрос: из чего же образовалась Вселенная? Чем было то, из чего она  возникла. В Библии утверждается, что  Бог создал все из ничего. Зная, что в классической науке сформулированы законы сохранения материи и энергии, религиозные философы спорили о том, что значит библейское «ничего», и некоторые в угоду науке полагали, что под ничем имеется в виду первоначальный материальный хаос, упорядоченный Богом.

  Как это ни удивительно, современная  наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что все могло  создаться из ничего. «Ничего» в  научной терминологии называется вакуумом. Вакуум, который физика XIX века считала пустотой, по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях «рождать» вещественные частицы.

  Современная квантовая механика допускает (это  не противоречит теории), что вакуум может приходить в «возбужденное  состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) — вещество.

  Рождение  Вселенной «из ничего» означает с современной научной точки  зрения ее самопроизвольное возникновение  из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация. Если число фотонов равно нулю, то напряженность поля не имеет определенного значения (по «принципу неопределенности» Гейзенберга): поле постоянно испытывает флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряженности равно нулю.

  Флуктуация  представляет собой появление виртуальных  частиц, которые непрерывно рождаются  и сразу же уничтожаются, но так  же участвуют во взаимодействиях, как  и реальные частицы. Благодаря флуктуациям, вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.

  Итак, Вселенная могла образоваться из «ничего», т. е. из «возбужденного вакуума». Такая гипотеза, конечно, не является решающим подтверждением существования  Бога. Ведь все это могло произойти  в соответствии с законами физики естественным путем без вмешательства извне каких-либо идеальных сущностей. И в этом случае научные гипотезы не подтверждают и не опровергают религиозные догмы, которые лежат по ту сторону эмпирически подтверждаемого и опровергаемого естествознания.

  На  этом удивительное в современной  физике не кончается. Излогая суть теории относительности в одной фразе, Эйнштейн сказал: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время». Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.

  Отметим, что теория относительности соответствует двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства-времени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна положительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относительности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной.

  Досужий ум неизбежно задается вопросами: что  же было тогда, когда не было ничего, и что находится за пределами расширения. Первый вопрос, очевидно, противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Астроном может сказать, что как ученый он не вправе отвечать на такие вопросы. Но поскольку они все же возникают, формулируются и возможные обоснования ответов, которые являются не столько научными, сколько натурфилософскими.

  Так, проводится различие между терминами  «бесконечный» и «безграничный». Примером бесконечности, которая не безгранична, служит поверхность Земли: мы можем идти по ней бесконечно долго, но тем не менее она ограничена атмосферой сверху и земной корой снизу. Вселенная также может быть бесконечной, но ограниченной. С другой стороны, известна точка зрения, в соответствии с которой в материальном мире не может быть ничего бесконечного, потому что он развивается в виде конечных систем с петлями обратной связи, которыми эти системы создаются в процессе преобразования среды.