ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ. МОДЕЛЬ РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ

<

111714 0038 1 ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ. МОДЕЛЬ РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙВо все времена люди хотели знать как возник наш мир. Когда в культуре господствовали мифологические представления, происхождение мира объяснялось, как, скажем, в «Ведах», распадом первочеловека Пуруши. То, что это была общая мифологическая схема, подтверждается и русскими апокрифами, например, «Голубиной книгой». Победа христианства утвердила представления о сотворении Богом мира из ничего,

С появлением науки в ее современном понимании на смену мифологическим и религиозным приходят научные представления о происхождении Вселенной. Следует разделять три близких термина: бытие, универсум и вселенная. Первый является философским и обозначает все существующее, бытующее. Второй употребляется и в философии и в науке, не имея специфической философской нагрузки (в плане противопоставления бытия и сознания) и обозначает все как таковое.

Значение термина «Вселенная» уже и приобрело специфически научное звучание. Вселенная — место вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению. Постепенное сужение научного значения термина «Вселенная» вполне понятно, так как естествознание, в отличие от философии, имеет дело только с тем, что эмпирически проверяемо современными научными методами.

Вселенную в целом изучает космология (т.е. наука о Космосе). Слово это тоже не случайно. Хотя сейчас космосом называют все, находящееся за пределами атмосферы Земли, не так было в Древней Греции. Космос тогда принимался как «порядок», «гармония», в противоположность хаосу — «беспорядку». Таким образом космология, в основе своей, как и подобает науке, открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.

Это изучение зиждется на нескольких предпосылках. Во-первых, формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действуюшими во всей Вселенной. Во-вторых, производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространимыми на всю Вселенную. И, в-третьих, истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, т.е. человека (так называемый антропный принцип).

Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной, так как одним из основных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом. Только если можно провести бесконечное в принципе количество экспериментов и.все они приводят к одному результату, на основе этих
экспериментов делают заключение о наличии закона, которому
подчиняется функционирование данного объекта. Лишь в этом
случае результат считается вполне достоверным с научной точки
зрения.    

Ко Вселенной это методологическое правило остается неприменимым. Наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Это противоречие, которое требует считать все заключения о происхождении и развитии Вселенной не законами, а лишь моделями, т.е. возможными вариантами объяснения. Строго говоря, все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями, но модели Вселенной как бы в большей степени модели, чем многие иные научные утверждения.

В данной работе будут проанализированы модель большого взрыва и модель расширяющейся Вселенной.

Важнейшим направлением разработки теории нестационарной Вселенной в XX в. явилось исследование физических процессов в начальные моменты Вселенной. Центральным здесь оказался вопрос о смысле сингулярности. Что представляет собой сингулярность: чисто математическое выражение предела возможностей экстраполяции в прошлое уравнений общей теории относительности или отражение какого-то реального момента (начального состояния) нашего мира? Этот исследовательский поиск был нацелен на получение ответов на ключевые мировоззренческие вопросы: что происходило в начальные моменты Вселенной, что привело к ее расширению? какое научное значение следует вкладывать в метафору «рождение Вселенной»? Выдающимися достижениями на этом пути было создание теории горячей Вселенной, или Большого взрыва, и разработка принципов и понятий инфляционной космологии.

Качественно новым и глубоким шагом в изучении начальных состояний Вселенной была разработка модели горячей расширяющейся Вселенной, которая построена на основе общей теории относительности и релятивисткой теории тяготения. Ее основы были заложены в трудах американского физика русского происхождения Дж. Гамова и его сотрудников в 1948– 1956 гг. В соответствии с этой концепцией Вселенная на ранних стадиях расширения характеризовалась не только высокой плотностью вещества, но и его высокой температурой.

. В основе этой модели лежат два предположения: свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность); наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, — релятивистская.

Ключ к пониманию ранних этапов эволюции Вселенной — в гигантском количестве теплоты, выделившейся при Большом взрыве. В простейшем варианте теории горячей Вселенной предполагается, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния с очень большой плотностью и энергией (состояние сингулярности). По мере расширения Вселенной температура падала (сначала быстро, а затем все медленнее) от очень большой до довольно низкой, обеспечивавшей возникновение условий, благоприятных для образования звезд и галактик. На протяжении около 1 млн лет температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию атомов, и, следовательно, космическое вещество имело вид разогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизилась приблизительно до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы. Таким образом, атомы — это реликты эпохи, наступившей через 1 млн лет после Большого взрыва.

Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности: принцип относительности, гласящий, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; экспериментально подтвержденное постоянство скорости света.

Модель горячей Вселенной получила экспериментальное подтверждение после открытия в 1965 г. реликтового излучения микроволнового фонового излучения с температурой около 2,7 К. Косвенным подтверждением этой модели служит также наблюдаемое обилие гелия, превышающее повсеместно 22% по массе, а также обнаруженное в межзвездном газе неожиданно высокое содержание дейтерия, происхождение которого можно объяснить лишь ядерными реакциями синтеза легких элементов в горячей Вселенной. Зная современную температуру реликтового излучения, можно провести экстраполяцию в прошлое, используя хорошо известные и проверенные законы механики, термодинамики, статистической, атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц и др. А также, разумеется, опираясь при этом на результаты физического эксперимента. На современных ускорителях элементарных частиц удается воспроизводить физические условия, существовавшие в то время, когда возраст Вселенной составлял 10–12 с, когда температура достигала 1015 К. В то время Вселенная была «сжата» до размеров Солнечной системы. За этими границами возможна только теоретическая экстраполяция известных нам физических законов. В целом она не вызывает сомнений вплоть до того момента, когда начинают проявляться квантовые свойства гравитации, т.е. в точке сингулярности.

Вблизи сингулярности решения релятивистских уравнений неприменимы, поскольку там должны проявляться квантовые свойства гравитации, а свойства вещества в этом состоянии неизвестны. Существующие теории вещества и тяготения применимы к состояниям материи, плотность и температура которой меньше планковских: 111714 0038 2 ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ. МОДЕЛЬ РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ = 1093 г/см3; 111714 0038 3 ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ. МОДЕЛЬ РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ 1032 К. Планковской плотности и температуре соответствует возраст Вселенной 111714 0038 4 ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ. МОДЕЛЬ РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ 10 –43 с и расстояние 111714 0038 5 ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ. МОДЕЛЬ РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ 10–33 см. В планковскую эпоху физические условия были таковы, что для их описания требуется квантовая теория тяготения.

Важной вехой на пути разработки квантовой теории тяготения является создание инфляционной космологии. Инфляционная космология возникла как теория, объясняющая условия и причины Большого взрыва, сложившиеся в первые мгновения Вселенной. В ее основе – представление о существовании (компенсирующей гравитационное притяжение) силы космического отталкивания невероятной величины, которая смогла спонтанно разорвать некое начальное состояние материй и вызвать ее расширение, продолжающееся по сей день. В этой теории начальным состоянием Вселенной является физический вакуум.

Основания инфляционной космологии были разработаны в 1980-е гг. группой отечественных и зарубежных физиков и космологов (А.А. Старобинский, А. Гут, А.Д. Линде и др.). Инфляционная космология существует в виде различных моделей, в которых так или иначе объединены принципы и понятия теорий струн, суперсимметрии, супергравитации, фазовых переходов, топологии. Все они обобщают нестационарную релятивистскую космологию1.

Возможность определить процессы, происходившие в первые мгновения существования Вселенной, в момент ее рождения, безусловно, следует рассматривать как блестящее и выдающееся достижение естествознания XX в. Естествознание приблизило нас к разгадке главной тайны природы — самого акта «сотворения мира»! Первые мгновения Вселенной — это время таинственных состояний материи и неведомых сил природы. Конечно, здесь следует быть осторожным. Наши представления о начальном отрезке времени жизни Вселенной основаны во многом на гипотетических теоретических экстраполяциях, пока еще в немалой мере спорных и умозрительных.

Составной частью модели расширяющейся вселенной является представление о Большом взрыве, происшедшим примерно 12 – 18 млрд. лет назад.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. ИНФЛЯЦИОННАЯ ТЕОРИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ВАКУУМА

 

Базовым понятием инфляционной космологии является заимствованное в квантовой теории поля понятие физического вакуума. Согласно инфляционной теории, Вселенная возникает из физического вакуума за счет фазового перехода первого рода.

Физический вакуум — низшее энергетическое состояние квантовых полей, для которого характерно отсутствие каких-либо реальных частиц. Физический вакуум — это не просто отсутствие поля, а одно из его возможных состояний. Он обладает ненулевым значением плотности энергии и давления, поэтому в нем происходят виртуальные процессы (порождения и аннигиляции частиц и др.). Вакуумное состояние может быть разнообразным, существует непрерывный спектр вакуумных состояний. Вакуум описывается скалярными полями, для которых характерны квантовые флуктуации. Сингулярность — это и есть квантовая флуктуация вакуума. Физический вакуум — форма материи, характеризующаяся активностью, возникновением и уничтожением виртуальных частиц (постоянно «кипит», но не выкипает) и способностью находиться в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями и давлениями, причем эти давления – отрицательные.

<

Возбужденное состояние физического вакуума называют «ложным вакуумом», который способен создать гигантскую силу космического отталкивания. Эта сила и вызвала безудержное и стремительное раздувание «пузырей пространства» (зародышей одной или нескольких вселенных, каждая из которых характеризуется, допустим, своими фундаментальными постоянными), в которых концентрировались колоссальные запасы энергии. Подобное раздувание Вселенной осуществлялось до экспоненте (за каждые 10 –34 с диаметр Вселенной увеличивался в два раза). Скорость раздувания значительно превосходила световую, но это не противоречит закону теории относительности, так как раздувание не связано с установлением причинно-следственных связей в веществе. Данный тип раздувания был назван инфляцией. Такое быстрое расширение означает, что все части Вселенной разлетаются, как при взрыве. В период квантовой космологии, т. е. с 10 –43 с по 10 –34 с произошло, по-видимому, и формирование пространственно-временных характеристик нашей Вселенной.

Из принципов инфляционной космологии следует, в частности, возможность вечного раздувания пространственно-временной «пены», постоянных флуктуации физического вакуума. А это, в свою очередь, ведет к идее множественности вселенных и понятию Мегавселенной. В такой Мегавселенной большие вселенные рождают маленькие вселенные, которые, в свою очередь, рождают еще меньшие, и т.д. Каждая из них имеет свои собственные физические законы, характеристики пространства-времени, фундаментальные взаимодействия, элементарные частицы и др. Наша Вселенная — это одна из многих таких вселенных.

Но фаза инфляции не может быть длительной. Отрицательный (ложный) вакуум неустойчив и стремится к распаду. Когда распад завершается, отталкивание исчезает, следовательно, исчезает и инфляция. Вселенная переходит во власть обычного гравитационного притяжения. «Часы» Вселенной в этот момент показывали всего 10 –34 с. Но благодаря полученному первоначальному импульсу, приобретенному в процессе инфляции, расширение Вселенной продолжается, но неуклонно замедляется. Постепенное замедление расширения Вселенной – это единственный след, который сохранился до настоящего времени от периода инфляции.

В фазе инфляции Вселенная была пустой и холодной. Но по окончании фазы огромные запасы энергии, сосредоточенные в исходном физическом вакууме, высвободились в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную до температуры примерно 1027 К и энергии 10м ГэВ. А это и есть Большой взрыв. С этого момента начинается эволюция горячей Вселенной. Благодаря энергии возникли вещество и антивещество, затем Вселенная стала остывать и испытывать последовательные фазовые переходы, в которых постепенно стали «кристаллизоваться» все ее фундаментальные взаимодействия, наблюдаемые сегодня.

Несмотря на то что инфляционная модель разработана пока только частично, тем не менее она позволяет успешно объяснить ряд фундаментальных космологических закономерностей. Прежде всего перестал быть загадкой Большой взрыв, долгое время лежавший за пределами естествознания. Инфляционная модель Большого взрыва объясняет также крупномасштабную однородность и изотропность Вселенной, мельчайшую анизотропию реликтового излучения, образование структур галактик и их скоплений из первичных малых возмущений плотности, особенности изменения пространственной кривизны (современное ее значение близко к нулю, как и в момент Большого взрыва) и др.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ И ЕГО ПОСЛЕДСТВИЯ

 

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 г. реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной.

Большой взрыв связан с так называемой эрой Великого объединения: возраст Вселенной всего лишь 10 -34 с, а температура около 1027 К. Выделение громадной энергии приводит к порождению из физического вакуума множества разнообразных аннигилирующих виртуальных частиц. Космос заполняется смесью из странных, неведомых нам частиц, в том числе чрезвычайно массивных. Важнейшими ее составляющими были, вероятно, сверхмассивные частицы — переносчики взаимодействия в теориях Великого объединения, так называемые Х- и Y-частицы. Именно эти частицы привели к асимметрии в соотношении вещества и антивещества.

Как показал А.Д. Сахаров (1967), при падении Т< 1027 К Х- и Y-бозоны уже не могут эффективно рождаться, задерживается и процесс аннигиляции; начинает преобладать процесс распада. Но распад частиц и античастиц идет по-разному (с нарушением барионного числа), В результате появляется небольшой избыток частиц по отношению к античастицам. По оценкам, эта асимметрия характеризуется отношением (109+ 1) : 109, т.е. на каждый миллиард античастиц рождается миллиард плюс одна частица. Несмотря на малость этого эффекта, он играет решающую роль.

По мере остывания Вселенной антивещество аннигилировало с веществом, но при этом остался избыток вещества по отношению к веществу в одну частицу на миллиард. Именно этот мизерный остаток и послужил материалом, из которого построена вся Вселенная, включая человека. Если бы этого остатка не было, то мир был бы заполнен только полем, но не веществом. Можно сказать, что вещество возникло благодаря оплошности природы. (Теперь понятно, почему во Вселенной так мало антивещества.) В результате аннигиляции возникло мощное гамма-излучение. По мере расширения Вселенной оно постепенно остывало. И к настоящему времени превратилось в так называемое фоновое тепловое излучение с температурой 2,7 К, которое несет в себе значительную часть энергии Вселенной.

Вплоть до 10 –12 с после Большого взрыва температура была высока (Т> 1015 К) и особенности материи во Вселенной резко отличались от ее современного состояния: адроны еще не образовались; не различались слабое и электромагнитное взаимодействия (электроны, мюоны и нейтрино не существовали в обычном виде; свойства фотонов перемешаны со свойствами W- и Z-частиц); кварки и лептоны еще существенно не различаются, не обладают массой покоя и др.

Однако вещество не могло продолжительно существовать в столь нестабильной фазе. Падение температуры ниже 10 15 К вызывает внезапный фазовый переход, напоминающий замерзание воды и образование льда. В этот момент (10–12 с) нарушается калибровочная симметрия и электромагнитное взаимодействие отделяется от слабого. W- и Z-бозоны, кварки и лептоны приобретают массу, а фотон остался безмассовым. Результатом этого перехода явилось возникновение известных нам частиц – электронов, нейтрино, фотонов и кварков, которые теперь вполне различимы.

Следующий фазовый переход происходит при T 111714 0038 6 ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ. МОДЕЛЬ РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ 1013 К и приводит к конденсации кварков. Кварки объединяются в группы (попарно или по три), и образуются адроны (протоны, нейтроны, мезоны и другие сильно взаимодействующие частицы). С этого момента (10 – 5 с) открылся прямой путь для ядерных реакций, прежде всего синтеза гелия.

При 111714 0038 7 ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ. МОДЕЛЬ РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙК и t
111714 0038 8 ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ. МОДЕЛЬ РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ 0,2 с электронные нейтрино перестают взаимодействовать с частицами. Поскольку нейтрино стабильны и очень слабо взаимодействуют с веществом, мир для них оказывается практически прозрачным; они легко перемещаются во Вселенной, сохранившись до наших дней, только их энергия уменьшается из-за ее расширения. К нашей эпохе температура этих реликтовых нейтрино должна оказаться около 2 К. Обнаружение этого излучения будет великим достижением астрономии. Но пока, к сожалению, методы обнаружения таких реликтовых нейтрино не разработаны.

Рождение Вселенной из «ничего» означает с современной научной точки зрения ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствие 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 соответствий 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. ОТ ПЕРВЫХ СЕКУНД ВСЕЛЕННОЙ ДО ОБРАЗОВАНИЯ ЗВЕЗД И ГАЛАКТИК

 

Методом математического моделирования астрофизикам удалось воспроизвести детали ядерных процессов, происходивших в первые секунды существования Вселенной1.

Согласно полученным результатам, в конце первой секунды температура достигала 1010 К. При такой высокой температуре сложные ядра существовать не могут. Тогда все пространство было заполнено хаотически движущимися протонами и нейтронами вперемешку с электронами, нейтрино и фотонами. Ранняя Вселенная расширялась чрезвычайно быстро и по прошествии еще минуты температура упала на два порядка, а спустя еще несколько минут стала ниже уровня, при котором возможны ядерные реакции. В этот относительно короткий (буквально несколько минут) промежуток времени протоны и нейтроны могли объединяться, образуя сложные ядра.

В тот период основной ядерной реакцией было слияние протонов и нейтронов с образованием ядер гелия, каждое из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов. Поскольку протоны немного легче нейтронов, они присутствовали в несколько большем количестве и по завершении синтеза гелия часть протонов оставалась свободной. Образовавшаяся плазма состояла примерно на 10% из ядер гелия и на 90% из ядер водорода (протонов).

Эти цифры соответствуют наблюдаемому содержанию названных элементов в современной Вселенной.

Великое счастье для нас, что в первичном веществе был избыток протонов над нейтронами. Благодаря ему остались во Вселенной несвязанные протоны, и впоследствии образовался водород, без которого не светило бы Солнце, не было бы воды, не могла возникнуть жизнь. Не было бы жизни, не было бы и человечества. Так наше существование и сама возможность познания Вселенной прямо определяется отдаленным прошлым, начальными моментами Вселенной.

После стадии термоядерных реакций температура вещества была еще настолько высока, что оно находилось в состоянии плазмы еще сотни тысяч лет, вплоть до периода рекомбинации (t° 111714 0038 9 ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ. МОДЕЛЬ РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ 4000 К), когда ядра присоединяли электроны и превращались в нейтральные атомы. Первыми образовались атомы гелия и водорода. Как полагают, из этих первичных водорода и гелия, находившихся в газообразном состоянии, сформировались первые звезды и галактики.

Таким образом, согласно современным космологическим представлениям, атомы существовали не всегда: они являются реликтами физических процессов, происходивших в глубинах Вселенной задолго до образовании Земли. Атомы — это «ископаемые» космоса. Первооснову космического вещества составляли водород и гелий; элементов среднего и тяжелого веса космическое вещество практически не содержало. Такие элементы — это «зола» ядерных «костров», пылающих в недрах звезд.

Когда размеры Вселенной были примерно в 100 раз меньше,
чем в настоящую эпоху, из зарождавшихся неоднородностей газообразного водорода и гелия возникли газовые сгустки — протогалактические сгущения. Постепенно они фрагментировались, в них образовывались меньшие сгустки вещества. Из таких сгустков разной массы, имевших определенный вращательный момент, постепенно сформировались звезды и галактики. Расширение Вселенной определило разлет галактик, которые сами практически не расширяются.    

Ядро звезды представляет собой термоядерный реактор, в котором горючим служат в основном ядра водорода (протоны). Последующие реакции синтеза приводят к превращению дейтерия в гелий, гелия – в углерод, а затем и образованию все более сложных ядер. По мере исчерпания запасов ядерного горючего звезды ее внутренняя структура представляется слоями различных химических элементов, каждый из которых отражает различные стадии ядерного синтеза. Так на протяжении своей «жизни» звезда постепенно превращается из смеси первичного водорода и гелия в хранилище тяжелых химических элементов. А прекращая свою «жизнь», звезда может разбросать тяжелые элементы по просторам Галактики. Со временем они могут войти в состав того межзвездного газо-пылевого облака, из которого образуются звезды нового поколения со своими планетными системами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. СЦЕНАРИИ БУДУЩЕГО ВСЕЛЕННОЙ

 

Любопытно знать не только далекое прошлое Вселенной, но и ее далекое будущее. Тем более что это будущее не менее поразительно, чем ее прошлое. Теоретическое моделирование будущего Вселенной существенно различается в «открытых» и «закрытой» ее моделях.

«Закрытая» модель предполагает, что в будущем расширение Вселенной сменится ее сжатием. Исходя из общей массы Вселенной 1052 т можно предположить, что примерно через 30 млрд лет она начнет сжиматься и через 50 млрд лет вновь вернется в сингулярное состояние. Полный цикл расширения и сжатия Вселенной составляет примерно 100 млрд лет. Таким образом, Вселенная может быть представлена как грандиозная осциллирующая система, испытавшая множество эволюционных циклов. При переходе от одного цикла к другому некоторые общие параметры Вселенной (Метагалактики), ее законы могут изменяться. Например, могут изменяться фундаментальные физические константы.

Совершенно иначе предстает будущее Вселенной в «открытых» в бесконечность космологических моделях, которые, по сути, представляют собой сценарии «тепловой смерти» Вселенной. В соответствии с ними уже через 1014 лет многие звезды остынут, что достаточно быстро (через 1015 лет) приведет к тому, что планеты начнут отрываться от своих звезд, а звезды покидать свои галактики. Примерно через 1019 лет большая часть звезд покинут свои галактики и постепенно превратятся в черные карлики. Центральные области галактик коллапсируют, образуя черные дыры. Таким образом галактики прекращают свое существование.

Дальнейшая эволюция будущей Вселенной не вполне ясна. Если обнаружится, что протон действительно нестабилен и распадается через 1031 лет на 111714 0038 10 ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ. МОДЕЛЬ РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ-квант и нейтрино, то Вселенная и будет представлять собой совокупность нейтрино, квантов света с убывающей энергией и черных дыр. Самые массивные черные дыры испарятся за 1096 лет и через 10100 лет во Вселенной останется лишь электронно-позитронная плазма ничтожной плотности.

Иначе разворачивается возможный сценарий будущего Вселенной в том случае, если протон стабилен. Тогда примерно через 1065 лет любое твердое вещество превратится даже при абсолютном нуле в жидкость. Все оставшиеся черные карлики станут жидкими каплями. А через 1015 лет любое вещество станет радиоактивным, и все жидкие капли (т.е. бывшие звезды) станут железными. От грандиозной и разнообразнейшей Вселенной останутся только жидкие холодные железные капли!

Что же дальше? Пройдет невообразимое число лет, которое можно выразить числом 10 , пока такие железные капли не превратятся в «черные дыры». Эти, уже последние, «черные дыры» за относительно небольшой промежуток времени 1067 лет испарятся, превратив Вселенную в поток сверхдлинноволновых квантов и электронно-позитронную плазму. Такое состояние — окончательная «смерть» Вселенной или ее возврат в исходную фазу — физический вакуум.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

В данной работе рассмотрены современные взгляды на возникновение, дальнейшее существование и конец Вселенной. Когда-то наша Вселенная была по своим размерам меньше атома. Она начала своё существование как особая точка, не имеющая ни размеров, ни массы. Теория «Большого Взрыва» – самая распространённая в наши дни теория, объясняющая происхождение Вселенной – предполагает, что Вселенная начала своё существование примерно пятнадцать миллиардов лет назад. Сначала она представляла собой невообразимо малый, яркий, горячий и плотный объект. Затем произошёл Большой Взрыв, в результате которого выделилось огромное количество энергии. В первые минуты взрыва образовались водород и гелий – самые лёгкие частицы в таблице Менделеева. Вероятно, они сконцентрировались в виде облачных образований, которые примерно четырнадцать миллиардов лет назад начали сгущаться благодаря собственной массе.

В течение следующих двух миллиардов лет из этих облаков образовались первые галактики. Наша галактика – Млечный Путь образовалась примерно десять миллиардов лет назад. Внутри неё образовались все звёзды и планеты, включая и нашу Землю, которая образовалась из окружающих её газовых облаков. Сейчас радиус Вселенной составляет около 15 миллиардов световых лет. В процессе расширения некоторая часть массы Вселенной сконденсировалась и образовала бесчисленные миллиарды звёзд, которые сосредоточены в галактиках. Известная Вселенная включает 10 миллиардов галактик, объединённых в скопления, а те, в свою очередь, в сверхскопления, отделённые друг от друга огромными расстояниями космического пространства.

Некоторые явления во Вселенной являются прямым следствием событий далекого прошлого. Их называют реликтовыми. Основные из них следующие: 1) фоновое излучение (температура около 3 К); 2) избыток гелия (около 25 % общей массы); 3) однородность и изотропность пространства; 4) наличие флуктуации, следующее из существования галактик; 5) соотношение между веществом и излучением.

В идеале теория, предложенная учеными (в нашем случае теория Большого взрыва), должна предсказывать определенные события, скажем, наличие излучения с температурой 3000 К. Применяя нашу теорию, можно проследить изменение этой температуры до наших дней. Теория предсказывает, что сейчас она должна составлять около 3 К. Мы начинаем поиски излучения и, как уже говорилось, находим его. То же относится и к гелию: теория предсказывает, что гелий должен составлять около 25 % всего вещества во Вселенной, и мы видим, что это число очень близко к реальному. С другими реликтами, впрочем, возникают сложности: например, мы до сих пор не знаем точно, в результате каких флуктуации появились галактики. Кроме того, теория Большого взрыва предсказывает существование большого числа магнитных монополей (магнитные монополи — это частицы с единственным магнитным полюсом, тогда как у обычного магнита полюсов всегда два — северный и южный). Однако до сих пор ни одного монополя не обнаружено. Теория раздувания помогает решить некоторые из этих проблем, но она же рождает новые трудности.

Изучение далёких галактик предоставляет ещё одно доказательство истинности теории «Большого Взрыва». Некоторые из данных галактик удалены от нас на расстояние 13 миллиардов световых лет. Эти галактики мы видим так, как они выглядели через 2 миллиарда лет после Большого Взрыва. Тот факт, что они имеют вид более уплотнённый, чем ближние галактики, доказывает, что Вселенная со временем увеличивается в объёме, а когда-то была гораздо меньше и плотнее.

В надежде определить происхождение Вселенной учёные пытаются воссоздать условия, возникшие непосредственно сразу после взрыва. В специальном ускорителе частиц разгоняются два пучка субатомных частиц. Постепенно их скорости приближаются к скорости света, пучки направляются навстречу друг другу и сталкиваются. Благодаря энергии столкновения возникают новые частицы, оставляющие следы, различимые детектором, в пузырьковой камере.

По результатам исследований учёные могут судить о ранней Вселенной, поскольку энергия сталкивающихся частиц подобна энергии частиц, существовавших в первые секунды после Большого Взрыва.

Итак, Вселенная произошла посредством Большого Взрыва и этому есть множество доказательств. Но всё же космос до сих пор остаётся тайной. Мы ещё очень мало знаем о нашей Вселенной, а ведь неизвестно: может быть наша Вселенная является лишь малой точкой в огромной бездне космоса. Возможно, что существует множество Вселенных, а возможно и нет.

В недалеком будущем с развитием новых технологий будут выдвинуты новые теории, доказаны или опровергнуты старые – это путь человечества к будущему, к прогрессу, к истине.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

  1. Акимов О. С. Естествознание. –М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2001.
  2. Горелов А. А. Концепции современного естествознания.- М.: Центр, 2005.
  3. Горохов В.Г. Концепции современного естествознания.- М. : ИНФРА-М, 2004.
  4. Демин В.Н. Тайны Вселенной, –М.: Наука, 1998.
  5. Дубнищева Т.Я. и др. Современное естествознание.- М.: Маркетинг, 2003.
  6. Клечек Й. И Якеш П. Вселенная и земля.– Прага: Артия, 1986.
  7. Кесарев В.В. Эволюция вещества во Вселенной, –М.: Атомиздат, 1989.
  8. Лаптин А.И. Основания современного естествознания: Модельный взгляд на физику, синергетику, химию. — М.: Вузовская книга, 2001.
  9. Левитан Е.П. Эволюционирующая Вселенная, – М.: Просвещение, 1993.
  10. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. М.: Альфа-М, 2003.

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     


     

<

Комментирование закрыто.

MAXCACHE: 0.97MB/0.00135 sec

WordPress: 21.57MB | MySQL:121 | 1,575sec