Вначале Вселенная была расширяющимся сгустком пустоты. Его распад привел к Большому взрыву, в огнедышащей плазме которого ковались первые химические элементы. Потом гравитация миллионы лет сжимала остывающие газовые облака. И вот зажглись первые звезды, высветив грандиозную Вселенную с триллионами бледных галактик… Эта картина мира, поддержанная величайшими астрономическими открытиями XX века, стоит на солидном теоретическом фундаменте. Но есть специалисты, которым она не по душе. Они упорно ищут в ней слабые места, надеясь, что на смену нынешней придет иная космология.
В начале 1920-х годов петербургский ученый Александр Фридман, предположив для простоты, что вещество однородно заполняет все пространство, нашел решение уравнений общей теории относительности (ОТО) , описывающих нестационарную расширяющуюся Вселенную. Даже Эйнштейн не воспринял это открытие всерьез, считая, что Вселенная должна быть вечной и неизменной. Чтобы описать такую Вселенную, он даже ввел в уравнения ОТО особый «антигравитационный» лямбда-член. Фридман вскоре умер от брюшного тифа, и его решение было забыто. Например, Эдвин Хаббл , работавший на крупнейшем в мире 100-дюймовом телескопе обсерватории Маунт-Вильсон, ничего не слышал об этих идеях.
К 1929 году Хаббл измерил расстояния до нескольких десятков галактик и, сопоставив их с ранее полученными спектрами, неожиданно обнаружил, что чем дальше находится галактика, тем сильнее смещены в красную сторону ее спектральные линии. Проще всего было объяснить красное смещение эффектом Доплера . Но тогда получалось, что все галактики быстро удаляются от нас. Это было так странно, что астроном Фриц Цвикки выдвинул весьма смелую гипотезу «усталого света», согласно которой это не галактики удаляются от нас, а кванты света в ходе долгого путешествия испытывают некое сопротивление своему движению, постепенно теряют энергию и краснеют. Потом, конечно, вспомнили идею расширения пространства, и оказалось, что в эту странную забытую теорию хорошо укладываются не менее странные новые наблюдения. На руку модели Фридмана было и то, что происхождение красного смещения в ней выглядит очень похожим на обычный эффект Доплера: даже сегодня не все астрономы понимают, что «разбегание» галактик в пространстве совсем не то же самое, что расширение самого пространства с «вмороженными» в него галактиками.
Гипотеза «усталого света» тихо сошла со сцены к концу 1930-х годов, когда физики отметили, что фотон теряет энергию, лишь взаимодействуя с другими частицами, и при этом обязательно хоть немного меняется направление его движения. Так что изображения далеких галактик в модели «усталого света» должны расплываться, как в тумане, а они видны вполне четко. В итоге еще недавно альтернативная общепринятым представлениям фридмановская модель Вселенной завоевала всеобщее внимание. (Впрочем, сам Хаббл до конца жизни, в 1953 году, допускал, что расширение пространства может быть лишь кажущимся эффектом.)
Но раз Вселенная расширяется, значит раньше она была плотнее. Мысленно обращая вспять ее эволюцию, ученик Фридмана физик-ядерщик Георгий Гамов сделал вывод, что ранняя Вселенная была столь горячей, что в ней шли реакции термоядерного синтеза. Гамов попытался объяснить ими наблюдаемую распространенность химических элементов, но «сварить» в первичном котле ему удалось лишь несколько видов легких ядер. Получалось, что, помимо водорода, в мире должно быть 23—25% гелия, сотая доля процента дейтерия и миллиардная доля лития. Теорию синтеза более тяжелых элементов в звездах позднее разработал со своими коллегами конкурент Гамова — астрофизик Фред Хойл.
В 1948 году Гамов также предсказал, что от раскаленной Вселенной должен сохраниться наблюдаемый след — остывшее микроволновое излучение с температурой несколько градусов Кельвина, идущее со всех сторон на небе. Увы, предсказание Гамова повторило судьбу модели Фридмана: его излучение никто не спешил искать. Теория горячей Вселенной казалась слишком экстравагантной, чтобы ставить для ее проверки дорогостоящие эксперименты. К тому же в ней усматривали параллели с божественным творением, от которого многие ученые дистанцировались. Кончилось тем, что Гамов забросил космологию и переключился на зарождавшуюся в то время генетику.
Популярность же в 1950-х годах завоевала новая версия теории стационарной Вселенной, разработанная все тем же Фредом Хойлом совместно с астрофизиком Томасом Голдом и математиком Германом Бонди. Под давлением открытия Хаббла они признали расширение Вселенной, но не ее эволюцию. По их теории, расширение пространства сопровождается спонтанным рождением атомов водорода, так что средняя плотность Вселенной остается неизменной. Это, конечно, нарушение закона сохранения энергии, но крайне незначительное — не больше одного атома водорода в миллиард лет на кубометр пространства. Хойл назвал свою модель «теорией непрерывного творения» и ввел специальное C-поле (от англ. creation — творение) с отрицательным давлением, которое заставляло Вселенную раздуваться, поддерживая при этом постоянную плотность материи. Образование же всех элементов, в том числе легких, Хойл в пику Гамову объяснял термоядерными процессами в звездах.
Предсказанный Гамовым космический микроволновый фон случайно заметили почти 20 лет спустя. Его первооткрыватели получили Нобелевскую премию , а горячая Вселенная Фридмана — Гамова быстро вытеснила конкурирующие гипотезы. Хойл, правда, не сдавался и, защищая свою теорию, утверждал, что микроволновый фон порожден далекими звездами, свет которых рассеивается и переизлучается космической пылью. Но тогда свечение неба должно быть пятнистым, а оно почти идеально однородно. Постепенно накапливались и данные по химическому составу звезд и космических облаков, которые тоже согласовывались с гамовской моделью первичного нуклеосинтеза.
Так дважды альтернативная теория Большого взрыва стала общепринятой, или, как модно нынче говорить, превратилась в научный мейнстрим. И вот уже школьников учат, что Хаббл открыл взрыв Вселенной (а не зависимость красного смещения от расстояния), и космическое микроволновое излучение с легкой руки советского астрофизика Иосифа Самуиловича Шкловского становится реликтовым . Модель горячей Вселенной «прошивается» в сознании людей буквально на уровне языка.
Четыре причины красного смещения
Какую из них выбрать для объяснения закона хаббла — зависимости красного смещение от расстояния?
|
Проверено в лаборатории |
Не проверено в лаборатории |
|
|
Изменение частоты |
1. Эффект Доплера Возникает, когда источник излучения удаляется. Его световые волны поступают в наш приемник чуть реже, чем испускаются источником. Эффект широко применяется в астрономии для измерения скоростей движения объектов вдоль луча зрения. |
3. Расширение пространства Согласно общей теории относительности, свойства самого пространства могут меняться во времени. Если в результате этого расстояние между источником и приемником увеличивается, то световые волны растягиваются так же, как в эффекте Доплера. |
|
Изменение энергии |
2. Гравитационное красное смещение Когда квант света выбирается из гравитационного колодца, он расходует энергию на преодоление сил тяготения. Уменьшение энергии соответствует уменьшению частоты излучения и его сдвигу в красную сторону спектра. |
4. Усталость света Возможно, движение светового кванта в пространстве сопровождается своего рода «трением», то есть потерей энергии пропорционально пройденному пути. Это была одна из первых гипотез, выдвинутых для объяснения космологического красного смещения. |
Но природа человека такова, что стоит только в обществе укрепиться очередной бесспорной идее, как сразу находятся желающие поспорить. Критику стандартной космологии можно условно разделить на концептуальную, указывающую на несовершенство ее теоретических основ, и астрономическую, приводящую конкретные трудные для объяснения факты и наблюдения.
Главная мишень концептуальных атак — конечно, общая теория относительности (ОТО). Эйнштейн дал удивительно красивое описание гравитации, отождествив ее с кривизной пространства-времени. Однако из ОТО следует существование черных дыр , странных объектов, в центре которых материя сжата в точку бесконечной плотности. В физике появление бесконечности всегда указывает на границы применимости теории. При сверхвысоких плотностях ОТО должна быть заменена квантовой гравитацией. Но все попытки ввести в ОТО принципы квантовой физики провалились, что заставляет физиков искать альтернативные теории гравитации. Десятки их были построены в XX веке. Большинство не выдержали экспериментальной проверки. Но несколько теорий пока держатся. Среди них, например, полевая теория гравитации академика Логунова, в которой нет искривленного пространства, не возникает сингулярностей, а значит, нет ни черных дыр, ни Большого взрыва. Везде, где можно экспериментально проверить предсказания таких альтернативных теорий гравитации, они совпадали с предсказаниями ОТО, и лишь в экстремальных случаях — при сверхвысоких плотностях или на очень больших космологических расстояниях — их выводы различаются. А значит, иными должны быть строение и эволюция Вселенной.
Когда-то Иоганн Кеплер , пытаясь теоретически объяснить соотношения радиусов планетных орбит, вкладывал друг в друга правильные многогранники. Описанные и вписанные в них сферы казались ему самым прямым путем к разгадке устройства мироздания — «Космографической тайны», как назвал он свою книгу. Позднее, опираясь на наблюдения Тихо Браге, он отбросил древнюю идею небесного совершенства окружностей и сфер, сделав вывод, что планеты движутся по эллипсам.
Многие современные астрономы тоже скептически относятся к умозрительным построениям теоретиков и предпочитают черпать вдохновение, глядя в небо. А там видно, что наша Галактика, Млечный Путь , входит в состав небольшого скопления, называемого Местной группой галактик, которое притягивается к центру огромного облака галактик в созвездии Девы, известного как Местное сверхскопление. Еще в 1958 году астроном Джордж Абель опубликовал каталог 2712 скоплений галактик северного неба, которые, в свою очередь, группируются в сверхскопления.
Согласитесь, непохоже на однородно заполненную веществом Вселенную. Но без однородности в модели Фридмана не получить режим расширения, согласующийся с законом Хаббла. И поразительную гладкость микроволнового фона тоже не объяснить. Поэтому во имя красоты теории однородность Вселенной была объявлена Космологическим принципом, и от наблюдателей ждали его подтверждения. Конечно, на небольших по космологическим меркам расстояниях — в сотню размеров Млечного Пути — доминирует притяжение между галактиками: они движутся по орбитам, сталкиваются и сливаются. Но, начиная с определенного масштаба расстояний, Вселенная просто обязана стать однородной.
В 1970-х годах наблюдения еще не позволяли с уверенностью сказать, существуют ли структуры размером больше пары десятков мегапарсек, и слова «крупномасштабная однородность Вселенной» звучали как охранительная мантра фридмановской космологии. Но уже к началу 1990-х ситуация кардинально изменилась. На границе созвездий Рыб и Кита открыли комплекс сверхскоплений размером около 50 мегапарсек, в который входит Местное сверхскопление. В созвездии Гидры обнаружили сначала Великий Аттрактор размером 60 мегапарсек, а потом позади него огромное сверхскопление Шепли втрое большего размера. И это не единичные объекты. Тогда же астрономы описали Великую Стену — комплекс протяженностью 150 мегапарсек, и список продолжает пополняться.
К концу века производство 3D-карт Вселенной поставили на поток. За одну экспозицию на телескопе получают спектры сотен галактик. Для этого робот-манипулятор по известным координатам расставляет в фокальной плоскости широкоугольной камеры Шмидта сотни оптических волокон, передающих свет каждой отдельной галактики в спектрографическую лабораторию. В самом большом на сегодня обзоре SDSS уже определены спектры и красные смещения миллиона галактик. А самой крупной известной структурой во Вселенной остается пока Великая Стена Слоуна, открытая в 2003 году по данным предыдущего обзора CfA-II. Ее протяженность составляет 500 мегапарсек — это 12% расстояния до горизонта фридмановской Вселенной.
Наряду с концентрациями материи открыто также много пустынных областей пространства — войдов, где нет ни галактик, ни даже загадочной темной материи. Многие из них превосходят по размерам 100 мегапарсек, а в 2007 году американская Национальная радиоастрономическая обсерватория сообщила об открытии Великого Войда поперечником около 300 мегапарсек.
Само существование таких грандиозных структур бросает вызов стандартной космологии, в которой неоднородности развиваются за счет гравитационного скучивания вещества из ничтожных флуктуаций плотности, оставшихся после Большого взрыва. При наблюдаемых собственных скоростях движения галактик им за все время жизни Вселенной не пройти больше десятка-другого мегапарсек. И как же тогда объяснить концентрацию вещества размером в сотни мегапарсек?
Строго говоря, модель Фридмана «в чистом виде» не объясняет формирования даже небольших структур — галактик и скоплений, если не добавить к ней одну особую ненаблюдаемую сущность, придуманную в 1933 году Фрицем Цвикки. Изучая скопление в созвездии Волос Вероники, он обнаружил, что его галактики движутся так быстро, что должны легко улетать прочь. Почему же скопление не распадается? Цвикки предположил, что его масса много больше, чем оценивалась по светящимся источникам. Так в астрофизике появилась скрытая масса, которую сегодня называют темной материей. Без нее не описать динамику галактических дисков и скоплений галактик, искривление света при прохождении мимо этих скоплений и само их происхождение. По оценкам, темной материи в 5 раз больше, чем обычной светящейся. Уже выяснено, что это не темные планетоиды, не черные дыры и не какие-либо известные элементарные частицы. Вероятно, темная материя состоит из каких-то тяжелых частиц, участвующих только в слабом взаимодействии.
Недавно итало-российский спутниковый эксперимент PAMELA зарегистрировал в космических лучах странный избыток энергичных позитронов. Астрофизики не знают подходящего источника позитронов и предполагают, что это, возможно, продукты каких-то реакций с частицами темной материи. Если так, то под угрозой может оказаться теория первичного нуклеосинтеза Гамова, ведь она не предполагала присутствия в ранней Вселенной огромного числа непонятных тяжелых частиц.
Загадочную темную энергию пришлось срочно добавлять в стандартную модель Вселенной на рубеже XX и XXI веков. Незадолго до этого был опробован новый метод определения расстояний до далеких галактик. «Стандартной свечой» в нем служили взрывы сверхновых звезд особого типа, которые в самом разгаре вспышки всегда имеют почти одинаковую светимость. По их видимому блеску определяют расстояние до галактики, где случился катаклизм. Все ждали, что измерения покажут небольшое замедление расширения Вселенной под действием самогравитации ее вещества. С огромным удивлением астрономы обнаружили, что расширение Вселенной, наоборот, ускоряется! Темная энергия была придумана, чтобы обеспечить всеобщее космическое отталкивание, раздувающее Вселенную. Фактически она неотличима от лямбда-члена в уравнениях Эйнштейна и, что забавнее, от C-поля из теории стационарной Вселенной Бонди — Голда — Хойла, в прошлом главного конкурента космологии Фридмана — Гамова. Вот так искусственные умозрительные идеи мигрируют между теориями, помогая им выживать под давлением новых фактов.
Если у первоначальной модели Фридмана был только один параметр, определяемый из наблюдений (средняя плотность вещества Вселенной), то с появлением «темных сущностей» число «подстроечных» параметров заметно выросло. Это не только пропорции темных «ингредиентов», но также произвольно предполагаемые их физические свойства, например способность к участию в различных взаимодействиях. Не правда ли, все это напоминает теорию Птолемея? В нее тоже добавляли все новые эпициклы, чтобы добиться соответствия с наблюдениями, пока она не рухнула под тяжестью собственной переусложненной конструкции.
За последние 100 лет создано великое множество космологических моделей. Если раньше каждая из них воспринималась как уникальная физическая гипотеза, то сейчас отношение стало более прозаическим. Чтобы построить космологическую модель, нужно заняться тремя вещами: теорией гравитации, от которой зависят свойства пространства, распределением вещества и физической природой красного смещения, из которой выводится зависимость: расстояние — красное смещение R(z). Тем самым задается космография модели, позволяющая рассчитать разные эффекты: как меняются с расстоянием (а точнее, с красным смещением) блеск «стандартной свечи», угловой размер «стандартного метра», длительность «стандартной секунды», поверхностная яркость «эталонной галактики». Остается посмотреть на небо и понять, какая теория дает правильные предсказания.
Представьте, что вечером вы сидите в небоскребе у окна, глядя на расстилающееся внизу море огней большого города. Вдали их становится меньше. Почему? Возможно, там бедные окраины, а то и вовсе кончается застройка. А может, свет фонарей ослабляется туманом или смогом. Или сказывается кривизна поверхности Земли, и дальние огни попросту уходят за горизонт. Для каждого варианта можно рассчитать зависимость числа огней от расстояния и найти подходящее объяснение. Вот так и космологи изучают далекие галактики, пытаясь выбрать лучшую модель Вселенной.
Чтобы космологический тест заработал, важно найти «стандартные» объекты и учесть влияние всех помех, искажающих их вид. Над этим космологи-наблюдатели бьются уже восьмой десяток лет. Взять, скажем, тест углового размера. Если наше пространство евклидово, то есть не искривлено, видимый размер галактик убывает обратно пропорционально красному смещению z. В модели Фридмана с искривленным пространством угловые размеры объектов убывают медленнее, и мы видим галактики чуть крупнее, как рыб в аквариуме. Есть даже такая модель (с ней на ранних этапах работал Эйнштейн), в которой галактики с удалением сначала уменьшаются в размерах, а потом вновь начинают расти. Проблема, однако, в том, что далекие галактики мы видим такими, какими они были в прошлом, а в ходе эволюции их размеры могут меняться. К тому же на большом расстоянии туманные пятнышки кажутся меньше — из-за того, что трудно разглядеть их края.
Учесть влияние таких эффектов крайне сложно, и поэтому результат космологического теста нередко зависит от предпочтений того или иного исследователя. В огромном массиве опубликованных работ можно найти тесты, как подтверждающие, так и опровергающие самые разные космологические модели. И только профессионализм ученого определяет, каким из них верить, а каким нет. Вот лишь пара примеров.
В 2006 году международная группа из трех десятков астрономов проверяла, растягиваются ли во времени взрывы далеких сверхновых звезд, как того требует модель Фридмана. Они получили полное согласие с теорией: вспышки удлиняются ровно во столько раз, во сколько уменьшается частота приходящего от них света — замедление времени в ОТО одинаково сказывается на всех процессах. Этот результат мог бы стать очередным последним гвоздем в крышку гроба теории стационарной Вселенной (первым лет 40 назад Стивен Хокинг назвал космический микроволновый фон), но в 2009 году американский астрофизик Эрик Лернер опубликовал прямо противоположные результаты, полученные другим методом. Он использовал тест поверхностной яркости галактик, придуманный Ричардом Толманом еще в 1930 году, специально чтобы сделать выбор между расширяющейся и статической Вселенными. В модели Фридмана поверхностная яркость галактик очень быстро падает с ростом красного смещения, а в евклидовом пространстве с «усталым светом» ослабление идет гораздо медленнее. На z = 1 (где, по Фридману, галактики примерно вдвое моложе, чем вблизи нас) разница получается 8-кратной, а на z = 5, что близко к пределу возможностей космического телескопа «Хаббл», — более чем 200-кратной. Проверка показала, что данные почти идеально совпадают с моделью «усталого света» и сильно расходятся с фридмановской.
В наблюдательной космологии накоплено еще много данных, заставляющих сомневаться в корректности доминирующей космологической модели, которую после добавления темной материи и энергии стали называть LCDM (Lambda — Cold Dark Matter). Потенциальную проблему для LCDM представляет быстрый рост рекордных красных смещений обнаруживаемых объектов. Сотрудник японской Национальной астрономической обсерватории Масанори Айи (Masanori Iye) изучил, как росли рекордные открытые красные смещения галактик, квазаров и гамма-всплесков (мощнейших взрывов и самых далеких маяков в наблюдаемой Вселенной). К 2008 году все они уже преодолели рубеж z = 6, причем особенно быстро росли рекордные z гамма-всплесков. В 2009 году ими был установлен очередной рекорд: z = 8,2. В модели Фридмана это соответствует возрасту около 600 миллионов лет после Большого взрыва и на пределе вписывается в существующие теории образования галактик: еще немного, и им просто не останется времени на формирование. Между тем прогресс в показателях z, похоже, не собирается останавливаться — все ждут данных с новых космических телескопов «Гершель» и «Планк», запущенных весной 2009 года. Если появятся объекты с z = 15 или 20, это станет полномасштабным кризисом LCDM.
На другую проблему еще в 1972 году обратил внимание Алан Сендидж, один из наиболее уважаемых космологов-наблюдателей. Оказывается, закон Хаббла слишком хорошо соблюдается в ближайших окрестностях Млечного Пути. В пределах нескольких мегапарсек от нас вещество распределено крайне неоднородно, однако галактики словно бы не замечают этого. Их красные смещения в точности пропорциональны расстояниям, кроме тех, что оказались совсем близко к центрам крупных скоплений. Хаотические скорости галактик как будто чем-то гасятся. Проводя аналогию с тепловым движением молекул, этот парадокс иногда называют аномальной холодностью хаббловского потока. Исчерпывающего объяснения этого парадокса в LCDM нет, зато он получает естественное объяснение в модели «усталого света». Александр Райков из Пулковской обсерватории выдвинул гипотезу, что красное смещение фотонов и гашение хаотических скоростей галактик может быть проявлением одного и того же космологического фактора. И та же причина, возможно, объясняет аномалию в движении американских межпланетных зондов «Пионер-10» и «Пионер-11». Покидая Солнечную систему, они испытывали небольшое необъяснимое торможение, численно как раз такое, как нужно для объяснения холодности хаббловского потока.
Ряд космологов пытаются доказать, что вещество во Вселенной распределено не однородно, а фрактально. Это значит, что в каком бы масштабе мы ни рассматривали Вселенную, в ней всегда обнаружится чередование кластеров и пустот соответствующего уровня. Первым эту тему поднял в 1987 году итальянский физик Лучано Пиотронейро. А несколько лет назад петербургский космолог Юрий Барышев и Пекка Теерикорпи из Финляндии опубликовали обширную монографию «Фрактальная структура Вселенной». В ряде научных статей утверждается, что в обзорах красных смещений фрактальность распределения галактик уверенно выявляется до масштаба 100 мегапарсек, а неоднородность прослеживается до 500 мегапарсек и более. А недавно Александр Райков совместно с Виктором Орловым из СПбГУ обнаружили признаки фрактального распределения в каталоге гамма-всплесков на масштабах до z = 3 (то есть по фридмановской модели в большей части видимой Вселенной). Если это подтвердится, космологии предстоит серьезная перетряска. Фрактальность обобщает понятие однородности, которое по соображениям математической простоты было взято за основу космологии XX века. Сегодня фракталы активно исследуются математиками, регулярно доказываются новые теоремы. Фрактальность крупномасштабной структуры Вселенной может привести к очень неожиданным следствиям, и, кто знает, не ждут ли нас впереди радикальные изменения картины Вселенной и ее развития?
И все-таки, как бы ни вдохновляли космологических «диссидентов» подобные примеры, на сегодня не существует какой-то целостной и хорошо проработанной теории строения и эволюции Вселенной, отличной от стандартной LCDM. То, что собирательно называют альтернативной космологией, состоит из ряда претензий, которые справедливо ставятся на вид сторонникам общепринятой концепции, а также набора перспективных идей разной степени проработанности, которые могут пригодиться в будущем, если появится сильная альтернативная исследовательская программа.
Многие сторонники альтернативных взглядов склонны придавать слишком большое значение отдельным идеям или контрпримерам. Они надеются, что, наглядно показав трудности стандартной модели, можно добиться отказа от нее. Но, как утверждал философ науки Имре Лакатос, теорию не могут уничтожить ни эксперимент, ни парадокс. Теорию убивает только новая лучшая теория. Тут пока альтернативной космологии предложить нечего.
Но откуда же взяться новым серьезным разработкам, сетуют «альтернативщики», если во всем мире, в грантовых комитетах, в редакциях научных журналов и в комиссиях по распределению наблюдательного времени телескопов большинство составляют сторонники стандартной космологии. Они, мол, просто блокируют выделение ресурсов на работы, лежащие вне космологического мейнстрима, считая это бесполезной тратой средств. Несколько лет назад напряжение достигло такого накала, что группа специалистов-космологов выступила в журнале New Scientist с весьма жестким «Открытым письмом к научному сообществу». В нем объявлялось об учреждении международной общественной организации Alternative Cosmology Group (www. cosmology. info), которая с тех пор периодически проводит собственные конференции, но пока не смогла существенно изменить ситуацию.
История науки знает немало случаев, когда вокруг идей, считавшихся глубоко альтернативными и малоинтересными, неожиданно формировалась новая мощная исследовательская программа. И, быть может, нынешняя разрозненная альтернативная космология несет в себе зародыш будущего переворота в картине мира.
Ни один физик не оспаривает сегодня специальную теорию относительности, и лишь немногие оспаривают основные положения общей теории относительности. Правда, общая теория относительности оставляет многие важные проблемы нерешенными. Несомненно и то, что наблюдения и эксперименты, поддерживающие эту теорию, малочисленны и не всегда убедительны. Но даже если бы не было вообще никаких подтверждений, общая теория относительности все же была бы необычайно привлекательна из-за больших упрощений, вводимых ею в физику.
Упрощений? Может показаться странным использование этого слова по отношению к теории, где применяется настолько развитая математика, что кто-то однажды сказал, будто во всем мире не более двенадцати человек могут понять ее (между прочим, это число было явно преуменьшено даже в то время, когда такое мнение было общепризнанным).
Математический аппарат теории относительности действительно сложен, но эта сложность компенсируется необыкновенным упрощением общей картины. Например, сведения тяготения и инерции к одному и тому же явлению достаточно, чтобы сделать общую теорию относительности наиболее плодотворным направлением при формировании взгляда на мир.
Эйнштейн высказал эту мысль в 1921 г., когда читал лекцию об относительности в Принстонском университете: «Возможность объяснить численное равенство инерции и гравитации единством их природы дает общей теории относительности, по моему убеждению, такие преимущества перед концепциями классической механики, что в сравнении с этим все трудности, встречающиеся здесь, следует считать небольшими… »
К тому же теории относительности присуще то, что математики любят называть «изяществом». Это своего рода артистическое произведение. «Каждый любитель прекрасного, - заявил однажды Лоренц, - должен желать, чтобы она оказалась правильной».
В этой главе твердо установленные аспекты теории относительности будут оставлены в стороне, и читатель окунется в область ожесточенных споров, область, где точки зрения являются не более чем предположениями, которые должны быть приняты или отвергнуты на основе научных доказательств.
Что представляет собой Вселенная в целом? Мы знаем, что Земля - это третья от Солнца планета в системе из девяти планет и что Солнце является одной из примерно ста миллиардов звезд, составляющих нашу Галактику. Мы знаем, что в той области пространства, которую можно прозондировать самыми мощными телескопами, разбросаны другие галактики, число которых также должно исчисляться миллиардами. Продолжается ли это до бесконечности?
Бесконечно ли число галактик? Или же пространство все-таки имеет конечные размеры? (Может быть, нам следует говорить «наше пространство», поскольку если наше пространство ограниченно, то кто может сказать, что не существует других ограниченных пространств?)
Астрономы прилагают все усилия, чтобы ответить на эти вопросы. Они конструируют так называемые модели Вселенной - воображаемые картины мира, если его рассматривать как единое целое. В начале девятнадцатого века многие астрономы предполагали, что Вселенная безгранична и содержит бесконечное число солнц. Пространство считалось евклидовым. Прямые ливни уходили в бесконечность во всех направлениях. Если бы космический корабль отправился в путь в любом направлении и двигался по прямой линии, то его путешествие длилось бы бесконечно долго, причем он никогда не достиг бы границы. Эта точка зрения восходит к древним грекам. Они любили говорить, что, если воин будет бросать свое копье все дальше и дальше, в пространство, он никогда не сможет достичь конца; если же такой конец вообразить себе, то воин смог бы стать там и метнуть копье еще дальше!
Против этой точки зрения имеется одно важное возражение. Немецкий астроном Генрих Олберс отметил в 1826 г., что если число солнц бесконечно и эти солнца распределены в пространстве случайным образом, то прямая линия, проведенная от Земли в любом направлении, должна была бы в конечном счете пройти сквозь какую-либо звезду. Это означало бы, что все ночное небо должно было представлять собой одну сплошную поверхность, испускающую слепящий звездный свет. Мы знаем, что это не так. Следует придумать какое-то объяснение темноте ночного неба, чтобы объяснить то, что теперь называют парадоксом Олберса. Большинство астрономов конца девятнадцатого и начала двадцатого века считали, что число солнц ограниченно. Наша галактика, утверждали они, содержит все имеющиеся солнца. Что же вне галактики? Ничего! (И только в середине двадцатых годов этого столетия появились неопровержимые доказательства, что существуют миллионы галактик на громадных расстояниях от нашей.) Другие астрономы допускали, что свет от далеких звезд может поглощаться скоплениями межзвездной пыли.
Наиболее остроумное объяснение дал шведский математик В. К. Шарлье. Галактики, говорил он, группируются в ассоциации, ассоциации - в сверхассоциации, сверхассоциации - в сверх-сверхассоциации и так далее до бесконечности. На каждой ступени объединения расстояния между группировками растут быстрее, чем размеры групп. Если это правильно, то тогда чем дальше продолжать прямую линию от нашей галактики, тем меньше вероятность того, что она встретит другую галактику. Вместе с тем эта иерархия ассоциаций бесконечна, так что по-прежнему можно говорить, что Вселенная содержит бесконечное число звезд. В объяснении, данном Шарлье парадоксу Олберса, нет ничего ошибочного, за исключением того, что имеется следующее более простое объяснение.
Первая модель Вселенной, основанная на теории относительности, была предложена самим Эйнштейном в статье, опубликованной в 1917 г. Это была изящная и красивая модель, хотя позже Эйнштейн вынужден был отказаться от нее. Выше уже объяснялось, что гравитационные поля - это искривления структуры пространства - времени, производимые присутствием больших масс материи. Внутри каждой галактики, следовательно, имеется много подобных скручиваний и изгибов пространства - времени. А как же огромные области пустого пространства между галактиками? Одна точка зрения такона: чем больше расстояние от галактик, тем более плоским (более евклидовым) становится пространство. Если бы Вселенная была свободна от всякой материи, то пространство было бы совершенно плоским; некоторые, однако, считают, что в этом случае вообще было бы бессмысленным говорить, что оно имеет какую-то структуру. И в том и в другом случае Вселенная пространства - времени простирается неограниченно во всех направлениях.
Эйнштейн сделал одно заманчивое контрпредложение. Предположим, сказал он, что количество материи во Вселенной достаточно велико, чтобы обеспечить общую положительную кривизну. Пространство тогда замкнулось бы само на себя во всех направлениях. Этого нельзя понять полностью, не углубляясь в четырехмерную неевклидову геометрию, но смысл можно схватить достаточно легко с помощью двухмерной модели. Представим себе плоскую страну Плосковию, где живут двухмерные существа. Они считают свою страну евклидовой плоскостью, которая простирается безгранично во всех направлениях. Правда, солнца Плосковии являются причиной появления на этой плоскости различных выпуклостей, но это локальные выпуклости, которые не влияют на общую гладкость. Существует, однако, другая возможность, которую могут себе представить астрономы этой страны. Может быть, каждая локальная выпуклость производит небольшое искривление всей плоскости таким образом, что суммарное действие всех солнц будет приводить к деформированию этой плоскости в нечто похожее на поверхность бугристой сферы. Подобная поверхность была бы тем не менее безграничной в том смысле, что вы могли бы двигаться в любом направлении вечно и никогда не достичь границы. Воин Плосковии не смог бы найти такое место, дальше которого ему некуда было бы метнуть свое плоское копье. Однако поверхность страны была бы конечной. Путешественник, совершающий поездку по «прямой линии» достаточно долго, в конце концов прибыл бы обратно туда же, откуда начал свой путь.
Математики говорят, что подобная поверхность «замкнута». Она, конечно, не безгранична. Подобно бесконечному евклидовому пространству, центр ее везде, периферии не существует. Эту «замкнутость», топологическое свойство такой поверхности, обитатели этой страны могут легко проверить. Один критерий уже упоминался: движение вокруг сферы во всех направлениях. Другой способ проверки состоял бы в окраске этой поверхности. Если бы житель этой страны, начав с какого-то места, стал рисовать все большие и большие окружности, он в конце концов заключил бы себя внутрь пятна на противоположной стороне сферы. Однако, если эта сфера велика и жители занимают небольшую часть ее, у них не будет возможности произвести подобные топологические испытания.
Эйнштейн предположил, что наше пространство является трехмерной «поверхностью» огромной гиперсферы (четырехмерной сферы). Время в его модели остается неискривленным; это прямая координата, уходящая назад в бесконечно далекое прошлое и простирающаяся бесконечно далеко вперед в будущее. Если эту модель представлять себе как четырехмерную пространственно-временную структуру, она больше напоминает гиперцилиндр, чем гиперсферу. По этой причине такую модель обычно называют моделью «цилиндрической Вселенной». В любой момент времени мы видим пространство как своего рода трехмерное поперечное сечение гиперцилиндра. Каждое поперечное сечение представляет собой поверхность гиперсферы.
Наша Галактика занимает только незначительную часть этой поверхности, так что пока еще нет возможности выполнить топологический эксперимент, который доказал бы ее замкнутость. Но принципиальная возможность доказать замкнутость существует. Установив достаточно мощный телескоп в каком-то направлении, можно сфокусировать его на определенной галактике, а затем, повернув телескоп в противоположную сторону, увидеть обратную сторону той же самой галактики. Если бы существовали космические корабли со скоростью, близкой к скорости света, то они могли бы описать круг по Вселенной, двигаясь в любом направлении по наиболее прямой линии, которая только возможна.
Вселенную нельзя «окрасить» в буквальном смысле этого слова, но можно сделать по существу то же самое, составляя сферические карты Вселенной все больших и больших размеров. Если картограф будет делать это достаточно долго, то он сможет обнаружить, что он оказался внутри той сферы, карту которой он составляет. Эта сфера будет становиться все меньше и меньше по мере того, как он продолжает свое занятие, подобно тому кругу, который уменьшается, когда житель Плосковии заключает себя внутрь пятна.
В некоторых отношениях неевклидова модель Эйнштейна проще классической модели, в которой пространство не искривлено. Она проще в том же самом смысле, в котором можно сказать, что круг проще прямой линии. Прямая линия простирается в бесконечность в обе стороны, а бесконечность в математике- очень сложная вещь! Удобство окружности в том, что она ограничена. Она не имеет концов, никому не приходится беспокоиться о том, что произойдет с этой линией в бесконечности. В аккуратной эйнштейновской Вселенной никому не приходится заботиться обо всех свободных концах в бесконечности, о том, что в космологии любят называть «граничными условиями». В уютной Вселенной Эйнштейна граничных проблем не существует, потому что она не имеет границ.
Другие космологические модели, полностью согласующиеся с общей теорией относительности, обсуждались в двадцатых годах. Некоторые из них имеют свойства даже более необычные, чем цилиндрическая Вселенная Эйнштейна. Голландский астроном Биллем де Ситтер разработал модель замкнутой, ограниченной Вселенной, в которой время искривляется так же, как и пространство. Чем дальше смотришь сквозь пространство де Ситтера, тем более медленно идущими кажутся часы. Если посмотреть достаточно далеко, можно увидеть области, где время совершенно остановилось, «как на чаепитии у сумасшедшего Шляпочкина, - пишет Эддингтон, - где всегда шесть часов вечера».
«Не нужно думать при этом, что существует какая-то граница», - объясняет Бертран Рассел в «Азбуке теории относительности». «Люди, живущие в стране, которую наш наблюдатель считает страной лотофагов, живут точно в такой же суете, как и сам наблюдатель, и им кажется, что он сам застыл в вечной неподвижности. На самом деле вы никогда бы не узнали об этой стране лотофагов, поскольку понадобилось бы бесконечно большое время, чтобы свет дошел от нее к вам. Вы смогли бы узнать о местах, расположенных недалеко от нее, но она сама оставалась бы всегда за горизонтом». Конечно, если бы вы направились к этой области на космическом корабле, держа ее с помощью телескопа под постоянным наблюдением, вы увидели бы, что по мере вашего приближения к ней ход времени там медленно ускоряется. Когда вы туда прибудете, все будет двигаться с обычной скоростью. Земля лотофагов будет теперь находиться на краю нового горизонта.
Обращали ли вы внимание на то, что, когда самолет, пролетая низко над вами, резко взмывает вверх, высота звука от его моторов сразу немного понижается? Это называется эффектом Допплера по имени австрийского физика Христиана Иоганна Допплера, открывшего этот эффект в середине девятнадцатого века. Он легко объясним. Когда самолет приближается, то звуковые волны от его двигателей колеблют вашу барабанную перепонку более часто, чем это было бы при неподвижном самолете. Это увеличивает высоту звука. Когда самолет удаляется, ощущаемые вашими ушами толчки от звуковых колебаний менее часты. Звук становится ниже.
Абсолютно то же самое происходит в том случае, когда источник света быстро движется к вам или от вас При этом неизменной должна оставаться скорость света (которая всегда постоянна), но не его длина волны. Если вы и источник света движетесь навстречу друг другу, то эффект Допплера укорачивает длину световой волны света, сдвигая цвет в сторону фиолетового конца спектра. Если вы и источник света удаляетесь один от другого, то эффект Допплера дает подобное же смещение к красному концу спектра.
Георгий Гамов на одной из своих лекций рассказал историю (несомненно, анекдотическую) с эффектом Допплера, которая слишком хороша, чтобы не привести ее здесь. Это случилось, кажется, с известным американским физиком из университета Джона Гопкинса Робертом Вудом, который был задержан в Балтиморе за езду на красный свет. Представ перед судьей, Вуд на основе эффекта Допплера блестяще объяснил, что из-за большой скорости его движения произошел сдвиг красного света к фиолетовому концу спектра, из-за чего он воспринял его как зеленый. Судья был склонен оправдать Вуда, но на суде случайно оказался один из студентов Вуда, которого Вуд незадолго до этого провалил. Он быстро вычислил скорость, которая требуется, чтобы огонь светофора из красного стал зеленым. Судья отказался от первоначального обвинения и оштрафовал Вуда за превышение скорости.
Допплер думал, что открытый им эффект объясняет видимый цвет далеких звезд: красноватые звезды должны двигаться от Земли, голубоватые звезды - к Земле. Как оказалось, дело было не в этом (эти цвета объяснялись другими причинами); в двадцатых годах нашего века было открыто, что свет от удаленных галактик обнаруживает явное смещение в красную сторону, которое нельзя объяснить достаточно убедительно иначе, как допуская, что эти галактики движутся от Земли. Более того, это смещение возрастает в среднем пропорционально расстоянию от галактики до Земли. Если до галактики А в два раза дальше, чем до галактики Б, то красное смещение от А примерно в два раза больше красного смещения от Б. По утверждению английского астронома Фреда Хойла, красное смещение для ассоциации галактик в созвездии Гидры свидетельствует о том, что эта ассоциация удаляется от Земли с громадной скоростью, равной примерно 61 000 км/сек.
Делались различные попытки объяснить красное смещение не эффектом Допплера, а каким-либо иным способом. По теории «усталости света» чем дольше свет находится в пути, тем меньше частота его колебаний. (Это прекрасный пример гипотезы ad hoc , т. е. гипотезы, связанной только с этим частным явлением, поскольку других свидетельств в ее пользу нет.) Другое объяснение состоит в том, что прохождение света сквозь космическую пыль приводит к появлению смещения. В модели де Ситтера это смещение четко следует из искривления времени.
Но простейшее объяснение, которое наилучшим образом согласуется с другими известными фактами, состоит в том, что красное смещение действительно свидетельствует о реальном движении галактик. Исходя из этого предположения, вскоре была развита новая серия моделей «расширяющейся Вселенной».
Однако это расширение не означает, что расширяются сами галактики или что (как это теперь считают) увеличиваются расстояния между галактиками в ассоциациях галактик. По-видимому, это расширение влечет за собой увеличение расстояний между ассоциациями. Представьте себе гигантский ком теста, в который вкраплено несколько сот изюмин. Каждая изюмина представляет собой ассоциацию галактик. Если это тесто сажают в печь, оно расширяется равномерно по всем направлениям, но размеры изюмин остаются прежними. Увеличивается расстояние между изюминами. Ни одна из изюмин не может быть названа центром расширения. С точки зрения любой отдельной изюмины все остальные изюмины кажутся удаляющимися от нее.
Чем больше расстояние до изюмины, тем больше кажущаяся скорость ее удаления.
Модель Вселенной Эйнштейна статична. Это объясняется тем, что он развил эту модель до того, как астрономы обнаружили расширение Вселенной. Чтобы предотвратить стягивание своей Вселенной гравитационными силами и ее гибель, Эйнштейн вынужден был в своей модели предположить, что существует еще одна сила (он ввел ее в модель с помощью так называемой «космологической постоянной»), роль которой заключается в отталкивании и удержании звезд на некотором расстоянии друг от друга.
Выполненные позже вычисления показали, что модель Эйнштейна неустойчива, подобно монете, стоящей на ребре. Малейший толчок заставит ее упасть либо на лицевую, либо на обратную сторону, причем первое соответствует расширяющейся, второе - сжимающейся Вселенной. Открытие красного смещения показало, что Вселенная во всяком случае не сжимается; космологи обратились к моделям расширяющейся Вселенной.
Конструировались всевозможные модели расширяющейся Вселенной. Советский ученый Александр Фридман и бельгийский аббат Жорж Леметр разработали две наиболее известные модели. В некоторых из этих моделей пространство предполагается замкнутым (положительная кривизна), в других - незамкнутым (отрицательная кривизна), в третьих вопрос о замкнутости пространства остается открытым.
Одна из моделей была предложена Эддингтоном, который описал ее в увлекательной книге «Расширяющаяся Вселенная». Его модель по существу очень похожа на модель Эйнштейна, она замкнута, подобно огромному четырехмерному шару, и равномерно расширяется по всем своим трем пространственным измерениям. В настоящее время, однако, у астрономов нет уверенности в том, что пространство замкнуто на себя. По-видимому, плотность материи в пространстве недостаточна, чтобы привести к положительной кривизне. Астрономы отдают предпочтение незамкнутой или бесконечной Вселенной с общей отрицательной кривизной, напоминающей поверхность седла.
Читатель не должен думать, что если поверхность сферы имеет положительную кривизну, то изнутри эта поверхность будет иметь отрицательную кривизну. Кривизна сферической поверхности положительна независимо от того, с какой стороны на нее смотреть - снаружи или изнутри. Отрицательная кривизна поверхности седла вызвана тем, что в любой своей точке эта поверхность искривлена по-разному. Она вогнута, если вы проводите по ней рукой от задней части к передней, и выпукла, если вы ведете руку от одного края к другому. Одна кривизна выражается положительным числом, другпя - отрицательным. Чтобы получить кривизну этой поверхности в данной точке, эти два числа надо перемножить. Если во всех точках это число отрицательно, как должно быть, когда поверхность в любой точке искривляется по-разному, то говорят, что эта поверхность имеет отрицательную кривизну. Поверхность, окружающая дырку в торе (бублике), - другой известный пример поверхности отрицательной кривизны. Конечно, подобные поверхности являются лишь грубыми моделями трехмерного пространства отрицательной кривизны.
Возможно, с появлением более мощных телескопов удастся решить вопрос о том, какова кривизна Вселенной - положительна, отрицательна или равна нулю. Телескоп позволяет видеть галактики лишь в определенном сферическом объеме. Если галактики распределены случайным образом и если пространство евклидово (нулевой кривизны), число галактик внутри подобной сферы должно быть всегда пропорционально кубу радиуса этой сферы. Другими словами, если построить телескоп, которым можно заглянуть в два раза дальше, чем любым телескопом до этого, то число видимых галактик должно увеличиться с n до 8n . Если этот скачок окажется меньше, то это будет означать, что кривизна Вселенной положительна, если больше - отрицательна.
Можно подумать, что должно быть наоборот, но рассмотрим случай двухмерных поверхностей с положительной и отрицательной кривизной. Предположим, что из плоского листа резины вырезан круг.
На него наклеены изюмины на расстояниях в полсантиметра одна от другой. Для того чтобы придать этой резине форму сферической поверхности, ее необходимо сжать, и многие изюмины сблизятся. Иными словами, если на сферической поверхности изюмины должны оставаться на расстоянии в полсантиметра одна от другой, то потребуется меньше изюмин. Если же резину наложить на поверхность седла, то изюмины раздвинутся на большие расстояния, т. е. чтобы на поверхности седла сохранить расстояния между изюминами в полсантиметра, потребуется больше изюмин. Мораль, вытекающая из всего этого, в шутливой форме может быть выражена так: когда вы покупаете бутылку пива, обязательно скажите продавцу, что вы хотите бутылку, содержащую пространство, искривленное отрицательно, а не положительно?
В моделях расширяющейся Вселенной не требуется космологическая постоянная Эйнштейна, приводящая к гипотетическому расталкиванию звезд.
(Позже Эйнштейн считал концепцию космологической постоянной самой большой ошибкой, сделанной им когда либо.) С появлением этих моделей сразу же прояснился вопрос с парадоксом Олберса о яркости ночного неба. Статическая модель Эйнштейна мало помогла в этом отношении. Правда, она содержит только конечное количество солнц, но из-за замкнутости пространства в модели свет от этих солнц вынужден вечно обходить Вселенную, изгибая свою траекторию в соответствии с местными искривлениями пространства - времени. В результате ночное небо освещено так же ярко, как и в случае бесконечного количества солнц, если не предположить, что Вселенная настолько молода, что свет смог совершить лишь ограниченное число кольцевых витков.
Понятие расширяющейся Вселенной очень просто устраняет этот парадокс. Если далекие галактики удаляются от Земли со скоростями, пропорциональными расстояниям до них, то полное количество света, достигающего Землю, должно уменьшаться. Если какая-либо галактика находится достаточно далеко, ее скорость может превысить световую, тогда свет от нее вообще никогда не достигнет нас. Сейчас многие астрономы всерьез считают, что если бы Вселенная не была расширяющейся, то не было бы буквально никакой разницы между ночью и днем.
Тот факт, что скорость далеких галактик относительно Земли может превышать скорость света, является, казалось бы, нарушением того положения, что ни одно материальное тело не может двигаться быстрее света. Но, как мы видели в гл. 4, это положение имеет силу только в условиях, которые соответствуют требованиям специальной теории относительности. В общей теории относительности его следует перефразировать так: никакие сигналы не могут быть переданы быстрее света. Но все еще остается спорным такой важный вопрос: могут ли на самом деле далекие галактики преодолеть световой барьер и, став невидимыми, навсегда исчезнуть из поля зрения человека, даже если он будет располагать наиболее мощными телескопами, которые можно себе представить. Некоторые специалисты считают, что скорость света действительно является пределом и что самые далекие галактики просто будут делаться более тусклыми, не становясь никогда полностью невидимыми (при том условии, конечно, что человек будет располагать достаточно чувствительными приборами для их наблюдения).
Старые галактики, как кто-то однажды заметил, никогда не умирают. Они просто постепенно исчезают. Важно понять, однако, что ни одна галактика не исчезает в том смысле, что исчезает ее материя из Вселенной. Она просто достигает такой скорости, что становится невозможным или почти невозможным обнаружить ее в земные телескопы. Исчезающая галактика продолжает быть видимой со всех галактик, находящихся ближе к ней. Для каждой галактики существует такой «оптический горизонт», сферическая граница, за которую ее телескопы не могут проникнуть. Эти сферические горизонты для любых двух галактик не совпадают. Астрономы подсчитали, что точка, после которой галактики начнут исчезать из нашего «поля зрения», находится примерно в два раза дальше, чем область досягаемости любого современного оптического телескопа. Если это предположение правильно, то сейчас видима примерно одна восьмая часть всех галактик, которые когда-то можно будет наблюдать.
Если Вселенная расширяется (неважно, является ли пространство плоским, незамкнутым или замкнутым), то возникает такой каверзный вопрос. На что была похожа Вселенная раньше? Существуют два различных способа ответить на этот вопрос, две современные модели Вселенной. Обе модели рассмотрены в следующей главе.
Персонаж книги Льюиса Кзррола «Алиса в стране чудес». - Прим. перев .
Страна изобилия и праздности, см. «Одиссею». - Прим. перев .
Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» - очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» - тот же мир, но с точки зрения его структуры - как упорядоченную систему галактик.
В классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.
В данной контрольной работе будут рассмотрены основные космологические модели Вселенной.
Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами.
Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана самим А. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответствии с космологической моделью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием.
Время существования Вселенной бесконечно, т. е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.
Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве.
В 1922 г. русский математик и геофизик А. А Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решение уравнения Эйнштейна, описывающее Вселенную с «расширяющимся» пространством.
Отношение средней плотности вселенной критической обозначается
Существуют три космологические модели, зависящие от , по имени их создателя названные фридмановскими. В этих моделях не учитывается энергия вакуума (космологическая постоянная).
I Фридмановская модель, . Расширение вселенной будет вечным, причём скорости галактик никогда не будут стремиться к нулю. Пространство в такой модели - бесконечное, имеет отрицательную кривизну, описывается геометрией Лобачевского . Через каждую точку такого пространства можно провести бесконечное множество прямых, параллельных данной, сумма углов треугольника меньше 180°, отношение длины окружности к радиусу больше 2π.
II Фридмановская модель, . Расширение вселенной будет вечным, но в бесконечности его скорость будет стремиться к нулю. Пространство в такой модели - бесконечное, плоское, описывается геометрией Евклида .
III Фридмановская модель, . Расширение вселенной сменится сжатием, коллапсом и закончится тем, что вселенная сожмётся в сингулярную точку (Большой Хруст). Пространство в такой модели - конечное, имеет положительную кривизну, по форме представляет собой трёхмерную гиперсферу, описывается сферической геометрией Римана. В таком пространстве нет параллельных прямых, сумма углов треугольника больше 180°, отношение длины окружности к радиусу меньше 2π. Полная суммарная масса такой вселенной равна нулю.
По современным данным 
.
Кроме стандартной модели Большого взрыва, в принципе существуют и альтернативные космологические модели:
1. Модель, симметричная относительно материи и антиматерии, предполагает равное присутствие этих двух видов вещества во Вселенной. Хотя очевидно, что наша Галактика практически не содержит антивещества, соседние звездные системы вполне могли бы целиком состоять из него; при этом их излучение было бы точно таким же, как у нормальных галактик. Однако в более ранние эпохи расширения, когда вещество и антивещество были в более тесном контакте, их аннигиляция должна была рождать мощное гамма-излучение. Наблюдения его не обнаруживают, что делает симметричную модель маловероятной.
2. В модели Холодного Большого взрыва предполагается, что расширение началось при температуре абсолютного нуля. Правда, и в этом случае ядерный синтез должен происходить и разогревать вещество, но микроволновое фоновое излучение уже нельзя прямо связывать с Большим взрывом, а нужно объяснять как-то иначе. Эта теория привлекательна тем, что вещество в ней подвержено фрагментации, а это необходимо для объяснения крупномасштабной неоднородности Вселенной.
3. Стационарная космологическая модель предполагает непрерывное рождение вещества. Основное положение этой теории, известное как Идеальный космологический принцип, утверждает, что Вселенная всегда была и останется такой, как сейчас. Наблюдения опровергают это.
4. Рассматриваются измененные варианты эйнштейновской теории гравитации. Например, теория К.Бранса и Р.Дикке из Принстона в общем согласуется с наблюдениями в пределах Солнечной системы. Модель Бранса – Дикке, а также более радикальная модель Ф.Хойла, в которой некоторые фундаментальные постоянные изменяются со временем, имеют почти такие же космологические параметры в нашу эпоху, как и модель Большого взрыва.
5. В 1927 г. бельгийский аббат и ученый Ж. Леметр связал «расширение» пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятие начала Вселенной как сингулярности (т. е. сверхплотного состояния) и рождения Вселенной как Большого взрыва. На основе модифицированной эйнштейновской теории Ж.Леметр в 1925 построил космологическую модель, объединяющую Большой взрыв с длительной фазой спокойного состояния, в течение которой могли формироваться галактики. Эйнштейн заинтересовался этой возможностью, чтобы обосновать свою любимую космологическую модель статической Вселенной, но когда было открыто расширение Вселенной, он публично отказался от нее.
ΛCDM (читается «Лямбда-СиДиЭм») - сокращение от Lambda-Cold Dark Matter, современная стандартная космологическая модель, в которой пространственно-плоская Вселенная заполнена, помимо обычной барионной материи, тёмной энергией (описываемой космологической постоянной Λ вуравнениях Эйнштейна) и холодной тёмной материей (англ. Cold Dark Matter). Согласно этой модели возраст Вселенной равен 
миллиардов лет.
Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной неизвестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этих пространств Вселенной мы живем.
В 1929 году американский астроном Э. П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, - система галактик расширяется.
Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10-12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла 1096 г/см3. В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва.
Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13-20 млрд. лет. Г. А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюцию Вселенной делят на «эры»
При оценке грандиозности масштабов Вселенной всегда возникает классический философский вопрос: конечна или бесконечна Вселенная? Понятием бесконечности оперируют в основном математики и философы. Физики-экспериментаторы, владеющие экспериментальными методами и техникой измерений, получают всегда конечные значения измеренных величин. Огромное значение науки и в особенности современной физики заключается в том, что к настоящему времени уже получены многие количественные характеристики объектов не только макро- и микромира, но и мегамира.
Пространственные масштабы нашей Вселенной и размеры основных материальных образований, в том числе и микрообъектов, можно представить из следующей таблицы, где размеры даны в метрах (для простоты приведены лишь порядки чисел, т. е. приближенные числа в пределах одного порядка):
Радиус космологического горизонта
или видимой нами Вселенной 10 26
Диаметр нашей Галактики 10 21
Расстояние от Земли до Солнца 10 11
Диаметр Солнца 10 9
Размер человека 10 0
Длина волн видимого света 10 -6 — 10 -8
Размер вирусов 10 -6 -10 -8
Диаметр атома водорода 10 -10
Диаметр атомного ядра 10 -15
Минимальное расстояние,
доступное сегодня нашим измерениям 10 -18
Из этих данных видно, что отношение самого большого к самому малого размеру, доступному сегодняшнему эксперименту, составляет 44 порядка. С развитием науки данное отношение постоянно возрастало и будет возрастать по мере накопления новых знаний об окружающем нас мире. Ведь «мир наш - только школа, где мы учимся познавать», - так сказал французский философ-гуманист Мишель Монтень (1533- 1592).
Вселенной на самых разных уровнях, от условно элементарных частиц и до гигантских сверхскоплений галактик, присуща структурность. Современная структура Вселенной является результатом космической эволюции, в ходе которой из протогалактик образовались галактики, из протозвезд – звезды, из протопланетного облака – планеты.
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 бесконечные плотность и температуру; такое состояние называют сингулярностью. 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. Чем более ранние события мы рассматриваем, тем меньше был их пространственный масштаб; по мере приближения к началу расширения горизонт наблюдателя сжимается (рис. 1).
Рис. 1. Иллюстрация моделей большого взрыва
В самые первые мгновения масштаб так мал, что мы уже не в праве применять общую теорию относительности: для описания явлений в столь малых масштабах требуется квантовая механика. Но квантовой теории гравитации пока не существует, поэтому никто не знает, как развивались события до момента 10-43 с, называемого планковским временем (в честь отца квантовой теории). В тот момент плотность материи достигала невероятного значения 1090 кг/см 3 , которое нельзя сравнить не только с плотностью окружающих нас тел (менее 10 г/см 3), но даже с плотностью атомного ядра (около 1012 кг/см 3) — наибольшей плотностью, доступной в лаборатории. Поэтому для современной физики началом расширения Вселенной служит планковское время.
Модели большого взрыва представлены тремя важнейшими типами: стандартной открытой моделью, стандартной замкнутой и моделью Леметра. По горизонтали отложено время, по вертикали — расстояние между любыми двумя достаточно удаленными друг от друга (чтобы исключить их взаимодействие) галактиками. Кружком отмечена наша эпоха. Если бы Вселенная всегда расширялась с нынешней скоростью, выраженной постоянной Хаббла Н, то это началось бы около 20 млрд. лет назад и происходило так, как показано диагональным пунктиром. Если расширение замедляется, как в открытой модели пространственно безграничного мира или в замкнутой модели ограниченного мира, то возраст Вселенной меньше, чем 1/Н. Наименьший возраст у замкнутой модели, расширение которой быстро замедляется и сменяется сжатием. Модель Леметра описывает Вселенную, возраст которой значительно больше, чем 1/Н, поскольку в ее истории есть длительный период, когда расширения почти не происходило. Модель Леметра и открытая модель описывают Вселенную, которая всегда будет расширяться.
Вот при таких условиях немыслимо высокой температуры и плотности состоялось рождение Вселенной. Причем это могло быть рождением в прямом смысле: некоторые космологи (скажем, Я.Б.Зельдович в СССР и Л.Паркер в США) считали, что частицы и гамма-фотоны были рождены в ту эпоху гравитационным полем. С точки зрения физики, этот процесс мог состояться, если сингулярность была анизотропной, т.е. гравитационное поле было неоднородным. В этом случае приливные гравитационные силы могли «вытащить» из вакуума реальные частицы, создав, таким образом, вещество Вселенной. 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 короткоживущие.
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 10 10 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.
Можно отметить 4 проблемы, стоящие сейчас перед космологической моделью Большого взрыва.
1. Проблема сингулярности: многие сомневаются в применимости общей теории относительности, дающей сингулярность в прошлом. Предлагаются альтернативные космологические теории, свободные от сингулярности.
2. Тесно связана с сингулярностью проблема изотропности Вселенной. Кажется странным, что начавшееся с сингулярного состояния расширение оказалось столь изотропным. Не исключено, правда, что анизотропное вначале расширение постепенно стало изотропным под действием диссипативных сил.
3. Однородная на самых больших масштабах, на меньших масштабах Вселенная весьма неоднородна (галактики, скопления галактик). Трудно понять, как одна лишь гравитация могла привести к появлению такой структуры. Поэтому космологи изучают возможности неоднородных моделей Большого взрыва.
4. Наконец, можно спросить, каково будущее Вселенной? Для ответа необходимо знать среднюю плотность материи во Вселенной. Если она превосходит некоторое критическое значение, то геометрия пространства-времени замкнутая, и в будущем Вселенная непременно сожмется. Замкнутая Вселенная не имеет границ, но ее объем конечен. Если плотность ниже критической, то Вселенная открыта и будет расширяться вечно. Открытая Вселенная бесконечна и имеет только одну сингулярность вначале. Пока наблюдения лучше согласуются с моделью открытой Вселенной. Происхождение крупномасштабной структуры. У космологов на эту проблему есть две противоположные точки зрения. Самая радикальная состоит в том, что вначале был хаос. Расширение ранней Вселенной происходило крайне анизотропно и неоднородно, но затем диссипативные процессы сгладили анизотропию и приблизили расширение к модели Фридмана — Леметра. Судьба неоднородностей весьма любопытна: если их амплитуда была большой, то неизбежно они должны были коллапсировать в черные дыры с массой, определяемой текущим горизонтом. Их формирование могло начаться прямо с планковского времени, так что во Вселенной могло быть множество мелких черных дыр с массами до 10-5 г. Однако С.Хокинг показал, что «мини-дыры» должны, излучая, терять свою массу, и до нашей эпохи могли сохраниться только черные дыры с массами более 10 16 г, что соответствует массе небольшой горы.
Первичный хаос мог содержать возмущения любого масштаба и амплитуды; наиболее крупные из них в виде звуковых волн могли сохраниться от эпохи ранней Вселенной до эры излучения, когда вещество было еще достаточно горячим, чтобы испускать, поглощать и рассеивать излучение. Но с окончанием этой эры остывшая плазма рекомбинировала и перестала взаимодействовать с излучением. Давление и скорость звука в газе упали, вследствие чего звуковые волны превратились в ударные волны, сжимающие газ и заставляющие его коллапсировать в галактики и их скопления. В зависимости от типа исходных волн расчеты предсказывают весьма различную картину, далеко не всегда соответствующую наблюдаемой. Для выбора между возможными вариантами космологических моделей важной является одна философская идея, известная как антропный принцип: с самого начала Вселенная должна была иметь такие свойства, которые позволили сформироваться в ней галактикам, звездам, планетам и разумной жизни на них. Иначе некому было бы заниматься космологией. Альтернативная точка зрения состоит в том, что об исходной структуре Вселенной можно узнать не более того, что дают наблюдения. Согласно этому консервативному подходу, нельзя считать юную Вселенную хаотической, поскольку сейчас она весьма изотропна и однородна. Те отклонения от однородности, которые мы наблюдаем в виде галактик, могли вырасти под действием гравитации из небольших начальных неоднородностей плотности. Однако исследования крупномасштабного распределения галактик (в основном проведенные Дж.Пиблсом в Принстоне), кажется, не подтверждают эту идею. Другая интересная возможность состоит в том, что скопления черных дыр, родившихся в адронную эру, могли стать исходными флуктуациями для формирования галактик. Открыта или замкнута Вселенная? Ближайшие галактики удаляются от нас со скоростью, пропорциональной расстоянию; но более далекие не подчиняются этой зависимости: их движение указывает, что расширение Вселенной со временем замедляется. В замкнутой модели Вселенной под действием тяготения расширение в определенный момент останавливается и сменяется сжатием (рис. 2), но наблюдения показывают, что замедление галактик происходит все же не так быстро, чтобы когда-либо произошла полная остановка.
Горизонтальные линии отмечают характерные моменты эволюции, а отсеченные ими треугольники показывают область Вселенной, доступную наблюдателю в этот момент. Чем больше времени прошло от начала расширения, тем большая область становится доступной для наблюдения. В настоящее время свет приходит к нам от звезд, квазаров и скоплений галактик, удаленных на миллиарды световых лет, но в ранние эпохи наблюдатель мог видеть гораздо меньшую область Вселенной. В различные эпохи доминировали разные формы материи: хотя доминирует вещество атомных ядер (нуклонов), до этого, когда Вселенная была горячей, доминировало излучение (фотоны), а еще раньше — легкие элементарные частицы (лептоны) и тяжелые (адроны).
Рисунок 2 – Стандартная модель большого взрыва: время отложено по вертикали, а расстояния — по горизонтали.
Чтобы Вселенная была замкнута, средняя плотность материи в ней должна превышать определенное критическое значение. Оценка плотности видимого и невидимого вещества весьма близка к этому значению. Распределение галактик в пространстве весьма неоднородно. Наша Местная группа галактик, включающая Млечный Путь, Туманность Андромеды и несколько галактик поменьше, лежит на периферии огромной системы галактик, известной как Сверхскопление в Деве (Virgo), центр которого совпадает со скоплением галактик Virgo. Если средняя плотность мира велика и Вселенная замкнута, то должно было бы наблюдаться сильное отклонение от изотропного расширения, вызванное притяжением нашей и соседних галактик к центру Сверхскопления. В открытой Вселенной это отклонение незначительно. Наблюдения скорее согласуются с открытой моделью. Большой интерес космологов вызывает содержание в космическом веществе тяжелого изотопа водорода — дейтерия, который образовался в ходе ядерных реакций в первые мгновения после Большого взрыва. Содержание дейтерия оказалось чрезвычайно чувствительно к плотности вещества в ту эпоху, а следовательно, и в нашу. Однако «дейтериевый тест» осуществить нелегко, ибо нужно исследовать первичное вещество, не побывавшее с момента космологического синтеза в недрах звезд, где дейтерий легко сгорает. Изучение предельно далеких галактик показало, что содержание дейтерия соответствует низкой плотности материи и, следовательно, открытой модели Вселенной.
Космологические модели приводят к выводу, что судьба расширяющейся Вселенной зависит только от средней плотности заполняющего её вещества и от значения постоянной Хаббла. Если средняя плотность равна или ниже некоторой критической плотности, расширение Вселенной будет продолжаться вечно. Если же плотность окажется выше критической, то расширение рано или поздно остановится и сменится сжатием.
В этом случае Вселенная сузится до размеров, которые у неё были предположительно при возникновении, уступив место явлению, названному Большим сжатием.
Перечислим основные модели Вселенной: Модель де Ситтера: модель расширяющейся Вселенной, предложенная в 1917 г., в которой не существует вещества или излучения. Эта нереалистичная гипотеза имела, тем не менее, исторически важное значение, поскольку в ней впервые выдвигалась идея о расширяющейся, а не статичной Вселенной; Модель Леметра: Модель вселенной, которая начинается с Большого взрыва, сменяющегося затем статической фазой и последующим бесконечным расширением. Модель названа по имени Дж. Леметра (1894-1966),
Модель расширяющейся Вселенной без использования общей теории относительности, предложенная в 1948 г. Эдвардом Милном (Edward Milne). Это расширяющаяся, изотропная и однородная Вселенная. не содержащая вещества. Она имеет отрицательную кривизну и незамкнута.
Модель Фридмана: Модель Вселенной, которая может коллапсировать внутрь себя. В 1922 г. советский математик А. А. Фридман (Alexander Friedmann, 1888-1925), анализируя уравнения общей теории относительности
Вселенная Фридмана может быть замкнутой, если плотность вещества в ней достаточно велика, чтобы остановить расширение. Этот факт привёл к поиску так называемой недостающей массы. В дальнейшем выводы Фридмана получили подтверждение в астрономических наблюдениях, обнаруживших в спектрах галактик так называемое красное смещение спектральных линий, что соответствует взаимному удалению этих звездных систем.
Модель Эйнштейна-де Ситтера: Самая простая из современных космологических моделей, в которой Вселенная имеет нулевое давление, нулевую кривизну (т.е. плоскую геометрию) и бесконечную протяженность, а ее расширение не ограничено в пространстве и во времени. Предложенная в 1932 г., эта модель является частным случаем (при нулевой кривизне) более общей вселенной Фридмана.
Все объекты живой и неживой природы можно представить в виде определенных систем, обладающих конкретными особенностями и свойствами, характеризующими их уровень организации. С учетом уровня организации можно рассматривать иерархию структур организации материальных объектов живой и неживой природы. Такая иерархия структур начинается с элементарных частиц, представляющих собой первоначальный уровень организации материи, и заканчивается живыми организациями и сообществами - высшими уровнями организации.
В настоящее время в области фундаментальной теоретической физики разрабатываются концепции, согласно которым объективно существующий мир не исчерпывается материальным миром, воспринимаемым нашими органами чувств или физическими приборами. Авторы данных концепций пришли к следующему выводу: наряду с материальным миром существует реальность высшего порядка, обладающая принципиально иной природой по сравнению с реальностью материального мира.
Изучение материи и её структурных уровней является необходимым условием формирования мировоззрения, независимо от того, окажется ли оно в конечном счёте материалистическим или идеалистическим.
Достаточно очевидно, что очень важна роль определения понятия материи, понимания последней как неисчерпаемой для построения научной картины мира, решения проблемы реальности и познаваемости объектов и явлений микро, макро и мега миров.
Под организацией системы будем понимать изменение структуры системы, которое обеспечивает согласованное поведение, или функционирование системы, которое определяется внешними условиями.
Если под изменением организованности понимать изменение способа соединения (или связи) подсистем, образующих систему, то явление самоорганизации можно определить как такое неизбежное изменение системы и ее функций, которое происходит вне каких-либо дополнительных влияний, вследствие взаимодействия системы с условиями существования и приближается к некоторому относительно устойчивому состоянию.
Под самоорганизацией будем понимать изменение структуры, обеспечивающее согласованность поведения благодаря наличию внутренних связей и связей с внешней средой.
Самоорганизация – это естественнонаучное выражение процесса самодвижения материи. Способностью к самоорганизации обладают системы живой и неживой природы, а также искусственные системы. Конкретная конфигурация структуры существует только в строго определенных условиях и в определенный момент «движения» сложной системы. Динамика развития систем приводит к последовательному изменению их структур.
Закономерное изменение структуры системы соответственно историческим изменениям соотношений с внешней средой и называется эволюцией.
Изменение структуры сложной системы в процессе ее взаимодействия с окружающей средой — это проявление свойства открытости как роста возможностей выхода к новому. С другой стороны, изменение структуры сложной системы обеспечивает расширение жизненных условий, связанное с усложнением организации и повышением жизнедеятельности, т.е. приобретением приспособлений более общего значения, позволяющих установить связи с новыми сторонами внешней среды.
Самоорганизация характеризуется возникновением внутренне согласованного функционирования за счет внутренних связей и связей с внешней средой. Причем понятия функция и структура системы тесно взаимосвязаны; система организуется, т.е. изменяет структуру ради выполнения функции.
Структурность и системная организация материи относятся к числу ее важнейших атрибутов, выражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется.
Под структурой материи обычно понимают ее строение в макромире, т.е. существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т.д. Это связано с тем, что человек является макроскопическим существом и для него привычными являются макроскопические масштабы, поэтому понятие структуры ассоциируется обычно с различными микрообъектами.
Но если рассматривать материю в целом, то понятие структуры материи будет охватывать также макроскопические тела, все космические системы мегамира, причем в любых сколь угодно больших пространственно-временных масштабах. С этой точки зрения, понятие «структура» проявляется в том, что она существует в виде бесконечного многообразия целостных систем, тесно взаимосвязанных между собой, а также в упорядоченности строения каждой системы. Такая структура бесконечна в количественном и качественном отношениях.
Проявлениями структурной бесконечности материи выступают:
– неисчерпаемость объектов и процессов микромира;
– бесконечность пространства и времени;
– бесконечность изменений и развития процессов.
Из всего многообразия форм объективной реальности эмпирически доступной всегда остается лишь конечная область материального мира, которая ныне простирается в масштабах от 10 -15 до 10 28 см, а во времени - до 2×10 9 лет.
Структурность и системная организация материи относятся к числу важнейших ее атрибутов. Они выражают упорядоченность существования материи и те ее конкретные формы, в которых она проявляется.
Материальный мир един: мы подразумеваем, что все его части - от неодушевленных предметов до живых существ, от небесных тел до человека как члена общества - так или иначе связаны.
Системой является то, что определенным образом связано между собой и подчинено соответствующим законам.
Системы бывают объективно существующие и теоретические, или концептуальные, т.е. существующие лишь в сознании человека.
Система - это внутреннее или внешнее упорядоченное множество взаимосвязанных и взаимодействующих элементов.
Упорядоченность множества подразумевает наличие закономерных отношений между элементами системы, которое проявляется в виде законов структурной организации. Внутренняя упорядоченность имеется у всех природных систем, возникающих в результате взаимодействия тел и естественного саморазвития материи. Внешняя характерна для созданных человеком искусственных систем: технических, производственных, концептуальных и т.п.
Структурные уровни материи образованы из определенного множества объектов какого-либо класса и характеризуются особым типом взаимодействия между составляющими их элементами.
Критерием для выделения различных структурных уровней служат следующие признаки:
– пространственно-временные масштабы;
– совокупность важнейших свойств;
– специфические законы движения;
– степень относительной сложности, возникающей в процессе исторического развития материи в данной области мира;
– некоторые другие признаки.
Известные в настоящее время структурные уровни материи могут быть выделены по вышеперечисленным признакам в следующие области.
1. Микромир. Сюда относятся:
– частицы элементарные и ядра атомов - область порядка 10 – 15 см;
– атомы и молекулы 10 –8 -10 –7 см.
Микромир – это молекулы, атомы, элементарные частицы - мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разномерность которых исчисляется от 10 -8 до 10 -16 см, а время жизни - от бесконечности до 10 -24 с.
2. Макромир: макроскопические тела 10 –6 -10 7 см.
Макромир - мир устойчивых форм и соразмерных человеку величин, а также кристаллические комплексы молекул, организмы, сообщества организмов; мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах, годах.
Мегамир - это планеты, звездные комплексы, галактики, метагалактики – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет.
И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро - и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны.
3. Мегамир: космические системы и неограниченные масштабы до 1028 см.
Разные уровни материи характеризуются разными типами связей.
В масштабах 10–13 см - сильные взаимодействия, целостность ядра обеспечивается ядерными силами.
Целостность атомов, молекул, макротел обеспечивают электромагнитные силы.
В космических масштабах - гравитационные силы.
С увеличением размеров объектов уменьшается энергия взаимодействия. Если принять энергию гравитационного взаимодействия за единицу, то электромагнитное взаимодействие в атоме будет в 1039 больше, а взаимодействие между нуклонами - составляющими ядро частицами - в 1041 раз больше. Чем меньше размеры материальных систем, тем более прочно связаны между собой их элементы.
Деление материи на структурные уровни носит относительный характер. В доступных пространственно-временных масштабах структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимодействующих систем, начиная от элементарных частиц и кончая Метагалактикой.
Говоря о структурности - внутренней расчлененности материального бытия, можно отметить, что сколь бы ни был широк диапазон мировидения науки, он тесно связан с обнаружением все новых и новых структурных образований. Например, если раньше взгляд на Вселенную замыкался Галактикой, затем расширился до системы галактик, то теперь изучается Метагалактика как особая система со специфическими законами, внутренними и внешними взаимодействиями.
В современной науке широко используется метод структурного анализа, при котором учитывается системность исследуемых объектов. Ведь структурность - это внутренняя расчлененность материального бытия, способ существования материи. Структурные уровни материи образованы из определенного множества объектов какого-либо вида и характеризуются особым способом взаимодействия между составляющими их элементами, применительно к трем основным сферам объективной действительности эти уровни выглядят следующим образом (табл.).
Таблица – Структурные уровни материи
|
Неорганическая природа |
Живая природа |
Общество |
|
Субмикроэле-ментарный |
Биологический макромолекулярный |
Индивид |
|
Микроэлементарный |
Клеточный |
Семья |
|
Ядерный |
Микроорганический |
Коллективы |
|
Атомарный |
Органы и ткани |
Большие социальные группы (классы, нации) |
|
Молекулярный |
Организм в целом |
Государство (гражданское общество) |
|
Макроуровень |
Популяции |
Системы государств |
|
Мегауровень (планеты, звездно-планетные системы, галактики) |
Биоценоз |
Человечество в целом |
|
Мегауровень (метагалактики) |
Биосфера |
Ноосфера |
Каждая из сфер объективной действительности включает в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Внутри этих уровней доминирующими являются координационные отношения, а между уровнями - субординационные.
Системное исследование материальных объектов предполагает не только установление способов описания отношений, связей и структуры множества элементов, но и выделение тех из них, которые являются системообразующими, т.е. обеспечивают обособленное функционирование и развитие системы. Системный подход к материальным образованиям предполагает возможность понимания рассматриваемой системы более высокого уровня. Для системы обычно характерна иерархичность строения, т.е. последовательное включение системы более низкого уровня в систему более высокого уровня.
Таким образом, в структуру материи на уровне неживой природы (неорганической) входят элементарные частицы, атомы, молекулы (объекты микромира, макротела и объекты мегамира: планеты, галактики, системы метагалактик и т.д.). Метагалактику часто отождествляют со всей Вселенной, но Вселенная понимается в предельно широком смысле этого слова, она тождественна всему материальному миру и движущейся материи, которая может включать в себя множество метагалактик и других космических систем.
Живая природа также структурирована. В ней выделены уровень биологический и уровень социальный. Биологический уровень включает подуровни:
– макромолекул (нуклеиновые кислоты, ДНК, РНК, белки);
– клеточный уровень;
– микроорганический (одноклеточные организмы);
– органов и тканей организма в целом;
– популяционный;
– биоценозный;
– биосферный.
Основными понятиями данного уровня на последних трех подуровнях являются понятия биотоп, биоценоз, биосфера, требующие пояснения.
Биотоп - совокупность (сообщество) особей одного и того же вида (например, стая волков), которые могут скрещиваться и воспроизводить себе подобных (популяции).
Биоценоз - совокупность популяций организмов, при которых продукты жизнедеятельности одних являются условиями существования других организмов, населяющих участок суши или воды.
Биосфера – глобальная система жизни, та часть географической среды (нижняя часть атмосферы, верхняя часть литосферы и гидросферы), которая является средой обитания живых организмов, обеспечивая необходимые для их выживания условия (температуру, почву и т.п.), образованная в результате взаимодействия биоценозов.
Общая основа жизни на биологическом уровне - органический метаболизм (обмен веществом, энергией и информацией с окружающей средой) - проявляется на любом из выделенных подуровней:
– на уровне организмов обмен веществ означает ассимиляцию и диссимиляцию при посредстве внутриклеточных превращений;
– на уровне экосистем (биоценоза) он состоит из цепи превращений вещества, первоначально ассимилированного организмами-производителями при посредстве организмов-потребителей и организмов-разрушителей, относящихся к разным видам;
– на уровне биосферы происходит глобальный круговорот вещества и энергии при непосредственном участи факторов космического масштаба.
На определенном этапе развития биосферы возникают особые популяции живых существ, которые, благодаря своей способности к труду образовали своеобразный уровень - социальный. Социальная действительность в структурном аспекте разделяется на подуровни: индивидов, семьи, различных коллективов (производственных), социальных групп и т.д.
Структурный уровень социальной деятельности находится в неоднозначно-линейных связях между собой (например, уровень наций и уровень государств). Переплетение разных уровней в рамках общества порождает представление о господстве случайности и хаотичности в социальной деятельности. Но внимательный анализ обнаруживает наличие в нем фундаментальных структур - главных сфер общественной жизни, которыми являются материально-производственная, социальная, политическая, духовная сферы, имеющие свои законы и структуры. Все они в определенном смысле субординированы в составе общественно-экономической формации, глубоко структурированы и обуславливают генетическое единство общественного развития в целом.
Таким образом, любая из трех областей материальной действительности образуется из ряда специфических структурных уровней, которые находятся в строгой упорядоченности в составе той или иной области действительности.
Переход от одной области к другой связан с усложнением и увеличением множества образованных факторов, обеспечивающих целостность систем. Внутри каждого из структурных уровней существуют отношения субординации (молекулярный уровень включает атомарный, а не наоборот). Закономерности новых уровней несводимы к закономерностям уровней, на базе которых они возникли, и являются ведущими для данного уровня организации материи. Структурная организация, т.е. системность, является способом существования материи.
Знаете ли вы о том, что наблюдаемая нами Вселенная имеет довольно определённые границы? Мы привыкли ассоциировать Вселенную с чем-то бесконечным и непостижимым. Однако современная наука на вопрос о «бесконечности» Вселенной предлагает совсем другой ответ на столь «очевидный» вопрос.
Согласно современным представлениям, размер наблюдаемой Вселенной составляет примерно 45,7 миллиардов световых лет (или 14,6 гигапарсек). Но что означают эти цифры?
Первый вопрос, который приходит в голову обычному человеку – как Вселенная вообще не может быть бесконечной? Казалось бы, бесспорным является то, что вместилище всего сущего вокруг нас не должно иметь границ. Если эти границы и существуют, то что они вообще собой представляют?
Допустим, какой-нибудь астронавт долетел до границ Вселенной. Что он увидит перед собой? Твёрдую стену? Огненный барьер? А что за ней – пустота? Другая Вселенная? Но разве пустота или другая Вселенная могут означать, что мы на границе мироздания? Ведь это не означает, что там находится «ничего». Пустота и другая Вселенная – это тоже «что-то». А ведь Вселенная – это то, что содержит абсолютно всё «что-то».
Мы приходим к абсолютному противоречию. Получается, граница Вселенной должна скрывать от нас что-то, чего не должно быть. Или граница Вселенной должна отгораживать «всё» от «чего-то», но ведь это «что-то» должно быть также частью «всего». В общем, полный абсурд. Тогда как учёные могут заявлять о граничном размере, массе и даже возрасте нашей Вселенной? Эти значения хоть и невообразимо велики, но всё же конечны. Наука спорит с очевидным? Чтобы разобраться с этим, давайте для начала проследим, как люди пришли к современному понимаю Вселенной.
Человек с незапамятных времён интересовался тем, что представляет собой окружающий их мир. Можно не приводить примеры о трёх китах и прочие попытки древних объяснить мироздание. Как правило, в конечном итоге все сводилось к тому, что основой всего сущего является земная твердь. Даже во времена античности и средневековья, когда астрономы имели обширные познания в закономерностях движения планет по «неподвижной» небесной сфере, Земля оставалась центром Вселенной.
Естественно, ещё в Древней Греции существовали те, кто считал то, что Земля вращается вокруг Солнца. Были те, кто говорил о множестве миров и бесконечности Вселенной. Но конструктивные обоснования этим теориям возникли только на рубеже научной революции.
В 16 веке польский астроном Николай Коперник совершил первый серьёзный прорыв в познании Вселенной. Он твёрдо доказал, что Земля является лишь одной из планет, обращающихся вокруг Солнца. Такая система значительно упрощала объяснение столь сложного и запутанного движения планет по небесной сфере. В случае неподвижной Земли астрономам приходилось выдумывать всевозможные хитроумные теории, объясняющие такое поведение планет. С другой стороны, если Землю принять подвижной, то объяснение столь замысловатым движениям приходит, само собой. Так в астрономии укрепилась новая парадигма под названием «гелиоцентризм».
Однако даже после этого астрономы продолжали ограничивать Вселенную «сферой неподвижных звёзд». Вплоть до 19 века им не удавалось оценить расстояние до светил. Несколько веков астрономы безрезультатно пытались обнаружить отклонения положения звёзд относительно движения Земли по орбите (годичные параллаксы). Инструменты тех времён не позволяли проводить столь точные измерения.
Наконец, в 1837 году русско-немецкий астроном Василий Струве измерил параллакс . Это ознаменовало новый шаг в понимании масштабов космоса. Теперь учёные могли смело говорить о том, что звезды являют собой далекие подобия Солнца. И наше светило отныне не центр всего, а равноправный «житель» бескрайнего звёздного скопления.
Астрономы ещё больше приблизились к пониманию масштабов Вселенной, ведь расстояния до звёзд оказались воистину чудовищными. Даже размеры орбит планет казались по сравнению с этим чем-то ничтожным. Дальше нужно было понять, каким образом звёзды сосредоточены во .
Известный философ Иммануил Кант ещё в 1755 предвосхитил основы современного понимания крупномасштабной структуры Вселенной. Он выдвинул гипотезу о том, что Млечный Путь является огромным вращающимся звёздным скоплением. В свою очередь, многие наблюдаемые туманности также являются более удалёнными «млечными путями» — галактиками. Не смотря на это, вплоть до 20 века астрономы придерживались того, что все туманности являются источниками звёздообразования и входят в состав Млечного Пути.
Ситуация изменилась, когда астрономы научились измерять расстояния между галактиками с помощью . Абсолютная светимость звёзд такого типа лежит в строгой зависимости от периода их переменности. Сравнивая их абсолютную светимость с видимой, можно с высокой точностью определить расстояние до них. Этот метод был разработан в начале 20 века Эйнаром Герцшрунгом и Харлоу Шелпи. Благодаря ему советский астроном Эрнст Эпик в 1922 году определил расстояние до Андромеды, которое оказалось на порядок больше размера Млечного Пути.
Эдвин Хаббл продолжил начинание Эпика. Измеряя яркости цефеид в других галактиках, он измерил расстояние до них и сопоставил его с красным смещением в их спектрах. Так в 1929 году он разработал свой знаменитый закон. Его работа окончательно опровергла укрепившееся мнение о том, что Млечный Путь является краем Вселенной. Теперь он был одной из множества галактик, которые ещё когда-то считали его составной частью. Гипотеза Канта подтвердилась почти через два столетия после её разработки.
В дальнейшем, открытая Хабблом связь расстояния галактики от наблюдателя относительно скорости её удаления от него, позволило составить полноценную картину крупномасштабной структуры Вселенной. Оказалось, галактики были лишь её ничтожной частью. Они связывались в скопления, скопления в сверхскопления. В свою очередь, сверхскопления складываются в самые большие из известных структур во Вселенной – нити и стены. Эти структуры, соседствуя с огромными сверхпустотами () и составляют крупномасштабную структуру, известной на данный момент, Вселенной.
Из вышесказанного следует то, что всего за несколько веков наука поэтапно перепорхнула от геоцентризма к современному пониманию Вселенной. Однако это не даёт ответа, почему мы ограничиваем Вселенную в наши дни. Ведь до сих пор речь шла лишь о масштабах космоса, а не о самой его природе.
Первым, кто решился обосновать бесконечность Вселенной, был Исаак Ньютон. Открыв закон всемирного тяготения, он полагал, что будь пространство конечно, все её тела рано или поздно сольются в единое целое. До него мысль о бесконечности Вселенной если кто-то и высказывал, то исключительно в философском ключе. Без всяких на то научных обоснований. Примером тому является Джордано Бруно. К слову, он подобно Канту, на много столетий опередил науку. Он первым заявил о том, что звёзды являются далёкими солнцами, и вокруг них тоже вращаются планеты.
Казалось бы, сам факт бесконечности довольно обоснован и очевиден, но переломные тенденции науки 20 века пошатнули эту «истину».
Первый существенный шаг на пути к разработке современной модели Вселенной совершил Альберт Эйнштейн. Свою модель стационарной Вселенной знаменитый физик ввёл в 1917 году. Эта модель была основана на общей теории относительности, разработанной им же годом ранее. Согласно его модели, Вселенная является бесконечной во времени и конечной в пространстве. Но ведь, как отмечалось ранее, согласно Ньютону Вселенная с конечным размером должна сколлапсироваться. Для этого Эйнштейн ввёл космологическую постоянную, которая компенсировала гравитационное притяжение далёких объектов.
Как бы это парадоксально не звучало, саму конечность Вселенной Эйнштейн ничем не ограничивал. По его мнению, Вселенная представляет собой замкнутую оболочку гиперсферы. Аналогией служит поверхность обычной трёхмерной сферы, к примеру – глобуса или Земли. Сколько бы путешественник ни путешествовал по Земле, он никогда не достигнет её края. Однако это вовсе не означает, что Земля бесконечна. Путешественник просто-напросто будет возвращаться к тому месту, откуда начал свой путь.
Точно также космический странник, преодолевая Вселенную Эйнштейна на звездолёте, может вернуться обратно на Землю. Только на этот раз странник будет двигаться не по двумерной поверхности сферы, а по трёхмерной поверхности гиперсферы. Это означает, что Вселенная имеет конечный объём, а значит и конечное число звёзд и массу. Однако ни границ, ни какого-либо центра у Вселенной не существует.
К таким выводам Эйнштейн пришёл, связав в своей знаменитой теории пространство, время и гравитацию. До него эти понятия считались обособленными, отчего и пространство Вселенной было сугубо евклидовым. Эйнштейн доказал, что само тяготение является искривлением пространства-времени. Это в корне меняло ранние представления о природе Вселенной, основанной на классической ньютоновской механике и евклидовой геометрии.
Даже сам первооткрыватель «новой Вселенной» не был чужд заблуждений. Эйнштейн хоть и ограничил Вселенную в пространстве, он продолжал считать её статичной. Согласно его модели, Вселенная была и остаётся вечной, и её размер всегда остаётся неизменным. В 1922 году советский физик Александр Фридман существенно дополнил эту модель. Согласно его расчётам, Вселенная вовсе не статична. Она может расширяться или сжиматься со временем. Примечательно то, Фридман пришёл к такой модели, основываясь на всё той же теории относительности. Он сумел более корректно применить эту теорию, минуя космологическую постоянную.
Альберт Эйнштейн не сразу принял такую «поправку». На помощь этой новой модели пришло, упомянутое ранее открытие Хаббла. Разбегание галактик бесспорно доказывало факт расширения Вселенной. Так Эйнштейну пришлось признать свою ошибку. Теперь Вселенная имела определённый возраст, который строго зависит от постоянной Хаббла, характеризующей скорость её расширения.
По мере того, как учёные пытались решить этот вопрос, были открыты многие другие важнейшие составляющие Вселенной и разработаны различные её модели. Так в 1948 году Георгий Гамов ввёл гипотезу «о горячей Вселенной», которая в последствие превратится в теорию большого взрыва. Открытие в 1965 году подтвердило его догадки. Теперь астрономы могли наблюдать свет, дошедший с того момента, когда Вселенная стала прозрачна.
Тёмная материя, предсказанная в 1932 году Фрицом Цвикки, получила своё подтверждение в 1975 году. Тёмная материя фактически объясняет само существование галактик, галактических скоплений и самой Вселенской структуры в целом. Так учёные узнали, что большая часть массы Вселенной и вовсе невидима.
Наконец, в 1998 в ходе исследования расстояния до было открыто, что Вселенная расширяется с ускорением. Этот очередной поворотный момент в науке породил современное понимание о природе Вселенной. Введённый Эйнштейном и опровергнутый Фридманом космологический коэффициент снова нашёл своё место в модели Вселенной. Наличие космологического коэффициента (космологической постоянной) объясняет её ускоренное расширение. Для объяснения наличия космологической постоянной было введено понятия – гипотетическое поле, содержащее большую часть массы Вселенной.
Современная модель Вселенной также называется ΛCDM-моделью. Буква «Λ» означает присутствие космологической постоянной, объясняющей ускоренное расширение Вселенной. «CDM» означает то, что Вселенная заполнена холодной тёмной материей. Последние исследования говорят о том, что постоянная Хаббла составляет около 71 (км/с)/Мпк, что соответствует возрасту Вселенной 13,75 млрд. лет. Зная возраст Вселенной, можно оценить размер её наблюдаемой области.
Согласно теории относительности информация о каком-либо объекте не может достигнуть наблюдателя со скоростью большей, чем скорость света (299792458 м/c). Получается, наблюдатель видит не просто объект, а его прошлое. Чем дальше находится от него объект, тем в более далёкое прошлое он смотрит. К примеру, глядя на Луну, мы видим такой, какой он была чуть более секунды назад, Солнце – более восьми минут назад, ближайшие звёзды – годы, галактики – миллионы лет назад и т.д. В стационарной модели Эйнштейна Вселенная не имеет ограничения по возрасту, а значит и её наблюдаемая область также ничем не ограничена. Наблюдатель, вооружаясь всё более совершенными астрономическими приборами, будет наблюдать всё более далёкие и древние объекты.
Другую картину мы имеем с современной моделью Вселенной. Согласно ей Вселенная имеет возраст, а значит и предел наблюдения. То есть, с момента рождения Вселенной никакой фотон не успел бы пройти расстояние большее, чем 13,75 млрд световых лет. Получается, можно заявить о том, что наблюдаемая Вселенная ограничена от наблюдателя шарообразной областью радиусом 13,75 млрд. световых лет. Однако, это не совсем так. Не стоит забывать и о расширении пространства Вселенной. Пока фотон достигнет наблюдателя, объект, который его испустил, будет от нас уже в 45,7 миллиардах св. лет. Этот размер является горизонтом частиц, он и является границей наблюдаемой Вселенной.
Итак, размер наблюдаемой Вселенной делится на два типа. Видимый размер, называемый также радиусом Хаббла (13,75 млрд. световых лет). И реальный размер, называемый горизонтом частиц (45,7 млрд. св. лет). Принципиально то, что оба эти горизонта совсем не характеризуют реальный размер Вселенной. Во-первых, они зависят от положения наблюдателя в пространстве. Во-вторых, они изменяются со временем. В случае ΛCDM-модели горизонт частиц расширяется со скоростью большей, чем горизонт Хаббла. Вопрос на то, сменится ли такая тенденция в дальнейшем, современная наука ответа не даёт. Но если предположить, что Вселенная продолжит расширяться с ускорением, то все те объекты, которые мы видим сейчас рано или поздно исчезнут из нашего «поля зрения».
На данный момент самым далёким светом, наблюдаемым астрономами, является реликтовое излучение. Вглядываясь в него, учёные видят Вселенную такой, какой она была через 380 тысяч лет после Большого Взрыва. В этот момент Вселенная остыла настолько, что смогла испускать свободные фотоны, которые и улавливают в наши дни с помощью радиотелескопов. В те времена во Вселенной не было ни звёзд, ни галактик, а лишь сплошное облако из водорода, гелия и ничтожного количества других элементов. Из неоднородностей, наблюдаемых в этом облаке, в последствие сформируются галактические скопления. Получается, именно те объекты, которые сформируются из неоднородностей реликтового излучения, расположены ближе всего к горизонту частиц.
То, имеет ли Вселенная истинные, не наблюдаемые границы, до сих пор остаётся предметом псевдонаучных догадок. Так или иначе, все сходятся на бесконечности Вселенной, но интерпретируют эту бесконечность совсем по-разному. Одни считают Вселенную многомерной, где наша «местная» трёхмерная Вселенная является лишь одним из её слоёв. Другие говорят, что Вселенная фрактальна – а это означает, что наша местная Вселенная может оказаться частицей другой. Не стоит забывать и о различных моделях Мультивселенной с её закрытыми, открытыми, параллельными Вселенными, червоточинами. И ещё много-много различных версий, число которых ограничено лишь человеческой фантазией.
Но если включить холодный реализм или просто отстраниться от всех этих гипотез, то можно предположить, что наша Вселенная является бесконечным однородным вместилищем всех звёзд и галактик. Причем, в любой очень далёкой точке, будь она в миллиардах гигапарсек от нас, всё условия будут точно такими же. В этой точке будут точно такими же горизонт частиц и сфера Хаббла с таким же реликтовым излучением у их кромки. Вокруг будут такие же звёзды и галактики. Что интересно, это не противоречит расширению Вселенной. Ведь расширяется не просто Вселенная, а само её пространство. То, что в момент большого взрыва Вселенная возникла из одной точки говорит только о том, что бесконечно мелкие (практические нулевые) размеры, что были тогда, сейчас превратились в невообразимо большие. В дальнейшем будем пользоваться именно этой гипотезой для того, что наглядно осознать масштабы наблюдаемой Вселенной.
В различных источниках приводятся всевозможные наглядные модели, позволяющие людям осознать масштабы Вселенной. Однако нам мало осознать, насколько велик космос. Важно представлять, каким образом проявляют такие понятия, как горизонт Хаббла и горизонт частиц на самом деле. Для этого давайте поэтапно вообразим свою модель.
Забудем о том, что современная наука не знает о «заграничной» области Вселенной. Отбросив версии о мультивселенных, фрактальной Вселенной и прочих её «разновидностях», представим, что она просто бесконечна. Как отмечалось ранее, это не противоречит расширению её пространства. Разумеется, учтём то, что её сфера Хаббла и сфера частиц соответственно равны 13,75 и 45,7 млрд световых лет.
Нажмите кнопку СТАРТ и откройте для себя новый, неизведанный мир!
Для начала попробуем осознать, насколько велики Вселенские масштабы. Если вы путешествовали по нашей планете, то вполне можете представить, насколько для нас велика Земля. Теперь представим нашу планету как гречневую крупицу, которая движется по орбите вокруг арбуза-Солнца размером с половину футбольного поля. В таком случае орбита Нептуна будет соответствовать размеру небольшого города, область – Луне, область границы воздействия Солнца – Марсу. Получается, наша Солнечная Система настолько же больше Земли, насколько Марс больше гречневой крупы! Но это только начало.
Теперь представим, что этой гречневой крупой будет наша система, размер которой примерно равен одному парсеку. Тогда Млечный Путь будет размером с два футбольных стадиона. Однако и этого нам будет не достаточно. Придётся и Млечный Путь уменьшить до сантиметрового размера. Она чем-то будет напоминать завёрнутую в водовороте кофейную пенку посреди кофейно-чёрного межгалактическое пространства. В двадцати сантиметрах от неё расположиться такая же спиральная «кроха» — Туманность Андромеды. Вокруг них будет рой малых галактик нашего Местного Скопления. Видимый же размер нашей Вселенной будет составлять 9,2 километра. Мы подошли к понимаю Вселенских размеров.
Однако нам мало понять сам масштаб. Важно осознать Вселенную в динамике. Представим себя гигантами, для которых Млечный Путь имеет сантиметровым диаметр. Как отмечалось только что, мы окажемся внутри шара радиусом 4,57 и диаметром 9,24 километров. Представим, что мы способны парить внутри этого шара, путешествовать, преодолевая за секунду целые мегапарсеки. Что мы увидим в том случае, если наша Вселенная будет бесконечна?
Разумеется, пред нами предстанет бесчисленное множество всевозможных галактик. Эллиптические, спиральные, иррегулярные. Некоторые области будут кишить ими, другие – пустовать. Главная особенность будет в том, что визуально все они будут неподвижны, пока неподвижными будем мы. Но стоит нам сделать шаг, как и сами галактики придут в движение. К примеру, если мы будем способны разглядеть в сантиметровом Млечном Пути микроскопическую Солнечную Систему, то сможем пронаблюдать её развитие. Отдалившись от нашей галактики на 600 метров, мы увидим протозвезду Солнце и протопланетный диск в момент формирования. Приближаясь к ней, мы увидим, как появляется Земля, зарождается жизнь и появляется человек. Точно также мы будем видеть, как видоизменяются и перемещаются галактики по мере того, как мы будем удаляться или приближаться к ним.
Следовательно, чем в более далёкие галактики мы будем вглядываться, тем более древними они будут для нас. Так самые далёкие галактики будут расположены от нас дальше 1300 метров, а на рубеже 1380 метров мы будем видеть уже реликтовое излучение. Правда, это расстояние для нас будет мнимым. Однако, по мере того, как будем приближаться к реликтовому излучению, мы будем видеть интересную картину. Естественно, мы будем наблюдать то, как из первоначального облака водорода будут образовываться и развиваться галактики. Когда же мы достигнем одну из этих образовавшихся галактик, то поймем, что преодолели вовсе не 1,375 километров, а все 4,57.
В качестве итога мы ещё больше увеличимся в размерах. Теперь мы можем разместить в кулаке целые войды и стены. Так мы окажемся в довольно небольшом пузыре, из которого невозможно выбраться. Мало того, что расстояние до объектов на краю пузыря будет увеличиваться по мере их приближения, так ещё и сам край будет бесконечно смещаться. В этом и заключается вся суть размера наблюдаемой Вселенной.
Какой бы Вселенная не была большой, для наблюдателя она всегда останется ограниченным пузырём. Наблюдатель всегда будет в центре этого пузыря, фактически он и есть его центр. Пытаясь добраться до какого-либо объекта на краю пузыря, наблюдатель будет смещать его центр. По мере приближения к объекту, этот объект всё дальше будет отходить от края пузыря и в тоже время видоизменяться. К примеру – от бесформенного водородного облачка он превратится в полноценную галактику или дальше галактическое скопление. Ко всему прочему, путь до этого объекта будет увеличиваться по мере приближения к нему, так как будет меняться само окружающее пространство. Добравшись до этого объекта, мы лишь сместим его с края пузыря в его центр. На краю Вселенной всё также будет мерцать реликтовое излучение.
Если предположить, что Вселенная и дальше будет расширяться ускоренно, то находясь в центре пузыря и мотая время на миллиарды, триллионы и даже более высокие порядки лет вперёд, мы заметим ещё более интересную картину. Хотя наш пузырь будет также увеличиваться в размерах, его видоизменяющиеся составляющие будут отдаляться от нас ещё быстрее, покидая край этого пузыря, пока каждая частица Вселенной не будет разрозненно блуждать в своём одиноком пузыре без возможности взаимодействовать с другими частицами.
Итак, современная наука не располагает сведениями о том, каковы реальные размеры Вселенной и имеет ли она границы. Но мы точно знаем о том, что наблюдаемая Вселенная имеет видимую и истинную границу, называемую соответственно радиусом Хаббла (13,75 млрд св. лет) и радиусом частиц (45,7 млрд. световых лет). Эти границы полностью зависят от положения наблюдателя в пространстве и расширяются со временем. Если радиус Хаббла расширяется строго со скоростью света, то расширение горизонта частиц носит ускоренный характер. Вопрос о том, будет ли его ускорение горизонта частиц продолжаться дальше и не сменится ли на сжатие, остаётся открытым.
Для описания будущего Вселенной предлагаются различные космологические сценарии. Все эти гипотезы можно разделить на две группы: модели «закрытой» и модели «открытой» Вселенной. Если кривизна пространства отрицательна или равна нулю, то задается модель открытой Вселенной, если кривизна пространства положительна, то задается модель «закрытой», или «замкнутой», Вселенной.
«Закрытая» модель предполагает, что Вселенная одновременно конечна и неограниченна, т.е. двигаясь по ней, нельзя достичь границы. Однако свет, пущенный наблюдателем из какого-то источника, вернется к нему с противоположной стороны. В гипотезе замкнутой Вселенной предполагается, что мир проходит множество эволюционных циклов. Каждый цикл представляет собой сначала расширение, а затем сжатие Вселенной и длится примерно 100 млрд. лет. При переходе в новый цикл меняются фундаментальные характеристики Вселенной, связанные с основными физическими константами. Что касается нынешнего состояния Вселенной, то в рамках данной гипотезы предполагается, что примерно через 30 млрд. лет она начнет сжиматься, а еще через 50 млрд. лет вернется в сингулярное состояние, из которого «родится» вновь.
«Открытая» модель рассматривает Вселенную как бесконечную. В моделях открытой Вселенной предполагается, что через 10 14 лет звезды остынут, поскольку исчезнет весь материал для термоядерных реакций. Через 10 15 лет звезды начнут покидать свои галактики, а планеты отрываться от звезд и улетать в космическое пространство. За время примерно в 10 17 лет все звезды окончательно потеряют свои планеты, а центральные части галактик коллапсируют. Оставшееся вещество благодаря гравитационным силам начнет собираться в ядра с огромной плотностью, т.е. галактики превратятся в сверхмассивные черные дыры. Через 10 32 лет Вселенная будет состоять из черных дыр и разреженного электронно-позитронного газа. Через 10 96 лет черные дыры испарятся. Через 10 100 лет Вселенная превратится в электронно-позитронную плазму очень малой плотности.
Такой сценарий предполагается в случае нестабильности протона. Если же протон стабилен, то высказывается предположение, что через 10 65 лет все вещество превратится в жидкость, а звезды, ставшие к тому времени черными карликами, превратятся в жидкие капли. Через 10 1500 лет все жидкие капли станут железными. Через огромное количество лет, которое выражается невероятными цифрами, и эти жидкие железные капли превратятся в черные дыры и постепенно испарятся. Вселенная, как и в предыдущей модели, перейдет в состояние электронно-позитронной плазмы.
В данный момент наша Вселенная находится в состоянии расширения. Создатель синергетики И. Пригожин утверждает, что стандартная модель предсказывает: в конце концов, наша Вселенная обречена на смерть либо в результате непрерывного расширения (тепловая смерть), либо в результате последующего сжатия («страшный треск»).Однако, Вселенная, возникнув из вакуума, в результате расширения вновь возвращается в состояние вакуума, но не исключаются возможности повторных флуктуации.
