Если обратиться назад в нашем повествовании, то обнаружится, что все фундаментальные понятия взаимосвязаны. Эта взаимосвязь заметно проявляется только в экстремальных условиях: при невообразимо больших скоростях, на колоссальных масштабах, при действии гигантских сил и т.п. Теперь, когда выяснилось, что Пространство - Время - Движение - Тяготение - Вещество (т.е. всё то, что составляет основу окружающего нас Мира - Вселенную) связаны, самое время задаться вопросом, а что собственно представляет собой Вселенная?
Ещё лет 80 назад ответы на этот вопрос были столь же обоснованы, как и в древние времена. Суждения о Вселенной были основаны на домыслах, пока не обнаружилась указанная взаимосвязь. Сейчас уже можно поставить осмысленно извечные вопросы: было ли начало и будет ли конец у Вселенной, есть ли у Вселенной границы и находимся ли мы в особом положении во Вселенной? Определённые ответы на все эти вопросы теперь можно получить, если удастся провести соответствующие астрономические наблюдения и измерения. Пока же наука может сказать, что возможно и при каких условиях.
Итак, начало новой эры знаний о Вселенной началось следующим образом.
В феврале 1917 года Эйнштейн опубликовал статью, которая явилась исходным пунктом на пути к современным космологическим представлениям. В этой статье Эйнштейн применил к Вселенной только что выведенные им уравнения общей теории относительности. Самым удивительным оказалось то, что из написанного им «мирового уравнения» вытекала невозможность стационарного, т.е. не изменяющегося со временем, состояния Вселенной.
Дело в том, что очень часто в истории естественных наук мы сталкивались с такой ситуацией, что временные масштабы человеческого наблюдения за природой и временные масштабы изменения природы оказывались существенно различными. Как правило, в этом случае природа считалась неизменной, и предполагалось, что исследуемое явление стационарно. Эйнштейн впал в ту же ошибку: он считал, что Вселенная должна быть стационарной, а из его же уравнений получалось, что стационарных решений для Вселенной нет. Тогда, чтобы ввести стационарность, Эйнштейн ввел Лямбда-член, ответственный за силы отталкивания неведомой природы. Однако физический смысл этого Лямбда-члена был совершенно непонятен, что за силы отталкивания это, какой они природы – было совершенно неясно, хотя Эйнштейн и называл их антигравитацией.
Весной 1922 года в главном физическом журнале того времени – Zeitschrift fur Physik – появилось обращение «К немецким физикам!». Правление Германского физического общества извещало о трудном положении коллег в России, которые с начала войны не получали немецких журналов. Поскольку ученые, пишущие по-немецки, в то время занимали лидирующее положение, то обращение к немецким физикам по сути дела говорило о том, что русские ученые лишены возможности знакомиться с основными научными работами того времени. В обращении предлагалось пересылать публикации последних лет в Петроград.
Однако, в том же журнале, двадцатью пятью страницами ниже, была помещена статья, показывавшая, что некоторые русские физики смогли удержаться на достаточно высоком уровне даже и в условиях информационного голода. Имя автора статьи - Александр Александрович Фридман – физикам было неизвестно. Его статья под названием «О кривизне пространства» касалась общей теории относительности применительно к космологии. Смысл статьи был в том, что если из уравнений Эйнштейна следует, что Вселенная не может быть стационарной, то, может быть, так оно и есть – что Вселенная нестационарна, что она расширяется?
Выводы этой работы были столь неожиданными, что Эйнштейн посчитал работу ошибочной. Но Фридман оказался прав, и с того времени стала развиваться идея об эволюции Вселенной. Ранее общепринятой была идея о неизменной Вселенной. Заслуга А.А.Фридмана, сравнимая с дарвиновской, была не только в предложении идеи, но и в расчёте возможных путей эволюции Вселенной.
Оказалось, что возможны три сценария эволюции в зависимости от того, сколько во Вселенной вещества. Во всех трёх случаях Вселенная имела начало - момент её возникновения. Потом возможны либо два варианта её неограниченного расширения, либо - пульсации, т.е. расширение до определённого размера и последующее сжатие до начального состояния, которое, возможно, станет началом нового цикла.
Далеко не сразу эта модель была признана научным миром, и Эйнштейн сначала посчитал статью ошибочной, но уже через год писал, что он считает работу Фридмана правильной и по-новому освещающей возможное развитие Вселенной.
К сожалению, А.АП. Фридман не дожил до блестящего экспериментального подтверждения своих выводов, последовавшего в 1929 году – он умер в Ленинграде в 1925 году. А в 1929 году американский астроном Э.Хаббл обнаружил, что в спектрах далеких галактик все линии смещены к красному концу спектра, причём смещены тем больше, чем дальше эти галактики от нас находятся.
С одной стороны эта фантастическая гипотеза кажется не слишком невероятной: мало ли что изменяется, возможно, меняется и Вселенная. Но если вникнуть в суть гипотезы, то она кажется несообразной нашим представлениям о Природе. Например, как ответить на вопрос, что было до момента рождения Вселенной. Ведь Вселенная это весь доступный нашим наблюдениям Мир, и, следовательно, до рождения Вселенной не было ни Времени, ни Пространства? Какая причина вызвала рождение Вселенной и из чего (или не из чего) она образовалась? Как тут не вспомнить Августина Аврелия и идею Творца. К счастью, наука не подошла к пределу своих возможностей и в идее Творца пока не нуждается, так как в состоянии дать вразумительные ответы на поставленные вопросы.
На ряд вопросов, подобных заданным, наука отвечает жёстко и бескомпромиссно: они не имеют смысла, так как в этих вопросах употребляются условные понятия, имеющие смысл только при определённых оговорках. Например, в вопросе о том, что было до рождения Вселенной, игнорируется относительный характер Пространства и Времени. Ведь из предыдущего нам известно, что в области действия гигантских сил Гравитации Время замедляется и Пространство искривляется. Очевидно, что, когда размеры Вселенной уменьшаются, то всё вещество нашей Вселенной уплотняется, и это вызывает сворачивание Пространства и замедление хода Времени. По этой причине можно сказать, что в начальный момент Время “останавливается”, а Пространство сжимается в точку. Это состояние Вселенной называют Сингулярностью.
На вопрос о границе Вселенной современная наука отвечает вполне определённо: Вселенная безграничная, но конечная. Странный ответ, не правда ли? Смысл этого ответа можно пояснить на двумерной модели.
Допустим, мы живём на сфере, что близко к действительности. Тогда для нас доступная область имеет конечную площадь, но не имеет границ. Подобное возможно и в пространстве. Более того, двумерная модель показывает, что при безграничности и конечности ни одно из мест Вселенной, возможно, ничем не выделяется по сравнению с другими местами, как это имеет место на сфере.
А что происходит сейчас с нашей Вселенной: она раздувается или сжимается? Ответ на этот вопрос можно получить только из измерений. И такие измерения были сделаны американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году. Оказалось, что Вселенная расширяется. Причём - весьма странно с позиций обычных представлений. В этом расширении все точки пространства находятся в одинаковом положении и ничем не выделены. Это значит, что нет центральной неподвижной точки, и относительная скорость удаления двух точек определяется только расстоянием между ними. Чтобы представить это, обратимся опять к двумерной модели. Видно, что увеличение сферы обнаруживается во взаимном удалении всех точек друг от друга. При этом, чем дальше находятся две точки на сфере, тем с большей скоростью они раздвигаются. В качестве модели можно представить себе поверхность надуваемого воздушного шарика – при надувании его расстояние между каждыми двумя точками на этом шарике увеличивается. Именно это и обнаружил Э. Хаббл: Галактики удаляются от нас с тем большей скоростью, чем они дальше. Раздвигание Пространства характеризуется измеренной Хабблом величиной. Эта величина такая, что расстояние между Москвой и Петербургом увеличивается за год примерно на толщину человеческого волоса (15 (км/с)/106 световых лет).
В то время этот эффект совсем не сразу стали трактовать как указание на разбегание галактик. В то время идеи квантовой механики были усвоены еще недостаточно прочно, поэтому появилась идея «усталости кванта», сводящаяся к тому, что квант света на своем длинном пути от далекой галактики до нас «устает», т.е. теряет часть своей энергии в странствиях по межзвездному пространству, и потому из, скажем, синего становится желтым, т.е. несущим в себе меньше энергии. Сейчас мы знаем, что часть своей энергии квант потерять не может, он либо поглощается весь, либо весь остается неизменным. Предложенное Э. Хабблом объяснение постепенно стало общепризнанным.
Величина, установленная Хабблом, позволяет оценить, как давно все точки Пространства находились вместе, т.е. можно выяснить возраст нашей Вселенной. Этот возраст оценивают сейчас в 13-15 млрд. лет (13,7 млрд лет). Много это или мало? Судите сами: нашей Земле 4.5 млрд. лет, жизнь на Земле длится 3.5 млрд. лет, а люди появились около 100 тысяч лет тому назад.
Теперь можно оценить и размер нашей Вселенной. Поскольку самые удалённые области Вселенной улетают от нас со скоростью, близкой к скорости света, то получается, что за время своей жизни Вселенной раздулась на 13 млрд. световых лет.
Однако сначала Хаббл измерил значение своей постоянной недостаточно точно, оно оказалось сильно завышенным, а потому возраст Вселенной из первых измерений оказался занижен – всего около 2 млрд лет. При такой оценке возраста Вселенной надо было предположить, что все космические объекты образовались одновременно в момент начала расширения Вселенной. Тогда же должны были образоваться и все ядра всех химических элементов. Это заставило ученых развивать теорию «горячего рождения» Вселенной. Эта концепция – концепция Большого Взрыва – была сформулирована русским учёным-эмигрантом Георгием Гамовым в 1946-48 годах. Дальнейшее уточнение значения постоянной Хаббла позволило развивать и альтернативные концепции, но в настоящее время гипотеза Большого Взрыва представляется самой правдоподобной.
Блестящим подтверждением этой модели стало экспериментальное обнаружение в 1965 году т.н. реликтового излучения – остатков того излучения, которое присутствовало и заполняло собой всю тогдашнюю Вселенную при расширении ее после Большого Взрыва. Дело в том, что в первый миллион лет после Большого Взрыва вещество находилось в равновесии с излучением: вещество поглощало излучение и испускало его температурно. Через миллион лет расширения вещество сгруппировалось в отдельные небесные тела, а пространство между ними остыло настолько, что поглощать излучение перестало. С тех пор оставшееся излучение «гуляет» по Вселенной, все более охлаждаясь по мере расширения Вселенной. Георгий Гамов предсказал наличие такого излучения и определил его температуру – она должна была быть около 50К.
В 1965 году молодые ученые Пензиас и Вильсон настраивали очень чувствительную антенну для приема радиоволн и обнаружили, что отовсюду из пространства идет излучение около 30К. Это и было реликтовое излучение. Пензиас и Вильсон получили за свое открытие Нобелевскую премию.
Сейчас считается, что вещество во Вселенной существует в трех формах: обычное вещество, реликтовое излучение и т.н. «темная материя», т.е. межзвездная среда. Обычное вещество сосредоточено в основном в звездах, которых только в нашей Галактике насчитывается около ста миллиардов. Размер нашей Галактик составляет 15 килопарсек (1 парсек – 30,8*1012 км). Во Вселенной существует до миллиарда различных галактик, среднее расстояние между которыми около 1 Мегапарсека. Средняя плотность вещества звезд во Вселенной 3*10-31 г/см3. Плотность, эквивалентная реликтовому излучению, составляет 5*10-34 г/см3. Плотность темной материи примерно в 30 раз больше, чем плотность вещества.
Модель сферы для Вселенной не корректная, и не только потому, что она двумерная. Характерная особенность геометрии на сфере проявляется в том, как это было пояснено выше, что параллельные линии на сфере пересекаются, причём дважды, а сумма углов в треугольнике всегда больше 1800. В модели Фридмана предсказываются две другие геометрии Пространства неограниченно раздувающейся Вселенной. Одна из них – знакомая нам евклидова геометрия. Другая - геометрия Лобачевского. В ней сумма углов треугольника всегда меньше (????) 1800, и через точку вне прямой можно провести на плоскости бесконечное число прямых, не пересекающих заданную прямую.
А какое Пространство у нашей Вселенной? Пока отклонений от евклидовости не обнаружено. Что будет дальше с нашей Вселенной: будет ли она расширяться неограниченно или потом начнёт сжиматься - зависит от количества вещества в ней. Пока астрономы не могут определить это количество с нужной точностью, и вопрос остаётся открытым.
На вопрос, что же запустило развитие Вселенной из сингулярности, современная наука отвечает честно: не известно что, хотя есть всякие домыслы на этот счёт. Причина незнания в этом случае более глубокая, чем теологическая проблема: вещество Вселенной, сжатое до точечных размеров, представляет собой неизвестную субстанцию, и до сих пор нет знаний для удовлетворительного описания свойств столь сверхплотной субстанции.
Проблема ранней Вселенной настолько волнует воображение, что стал уже общеизвестным термин Большой Взрыв. Так называют этап рождения Вселенной. Кроме этого есть другой термин - Раздувание, который также относится к самой начальной стадии образования Вселенной и характеризует её более быстрое расширение, чем при Большом Взрыве. Через миллионную долю секунды после Большого взрыва в образовавшейся Вселенной вещество стало "понятным" для современных знаний, и дальнейшая эволюция Вселенной описывается достаточно хорошо для объяснения того, как получилась современная Вселенная.
Для решения проблемы эволюции Вселенной оказывается удивительным образом важной проблема устройства микромира. Такой неожиданный поворот в рассмотрении природы фундаментальных понятий ставит новый вопрос: а что мы знаем о микромире?
Поможем написать любую работу на аналогичную тему