Вселенная – это всё, что можно обнаружить на самых далёких расстояниях любыми средствами, включая различные технические устройства. А поскольку техника, движимая нашими потребностями и научным прогрессом, развивается, то меняется и наше представление о Вселенной.
До начала ХIХ столетия источником знания о Вселенной являлись наблюдения за сравнительно небольшой частью нашей галактики в виде ближайших к нам звёздных скоплений. Эта часть и принималась за всю Вселенную. Причём считалось, что Вселенная – это раз и навсегда данное, застывшее образование, подчиняющееся в основном законам механики и существующее вечно. Дальнейшее развитие науки и появление новых мощных средств наблюдения показало, что даже вся наша галактика – это лишь одно из звёздных скоплений, которых во Вселенной существуют миллиарды и кроме сил гравитации и инерции в них действуют и другие силы, относящиеся к электромагнитным, сильным и слабым взаимодействиям.
Применение появившейся в начале ХIХ в. теории относительности А. Эйнштейна позволило российскому учёному Александру Александровичу Фридману (1888-1925) теоретически предсказать возможность нестационарного состояния Вселенной. Его расчёты показывали, что Вселенная может расширяться или сжиматься в зависимости от величины её полной массы. Несколько позднее наблюдения американского астронома Эдвина Паула Хаббла (1889-1953) показали, что при переходе к более далёким звёздам длина излучаемых ими электромагнитных волн закономерно увеличивается. Поскольку из видимых электромагнитных волн наибольшей длиной обладают волны, соответствующие красному свету, обнаруженное явление получило название красного смещения. Оно, в соответствии с законами физики, означало, что далёкие галактики удаляются от наблюдателя, и чем дальше, тем быстрее.
Данный факт привёл к созданию гипотезы происхождения Вселенной, в результате Большого взрыва. По этой гипотезе считается, что примерно 15-20 млрд лет назад вся материя была сконцентрирована в небольшом объёме. Данный возраст Вселенной определён на основании оценки расстояния до самых далёких галактик (миллиарды световых лет) и скорости их разбегания, которая сравнима со скоростью света. Объём и форму состояния материи до Большого взрыва при современном знании оценить невозможно. Хотя в литературе встречаются разные предположения об объёмах порядка километров или даже размеров атомов. Такие рассуждения, вероятно, мало полезны, поскольку напоминают рассуждениям средневековых схоластов, которые на своих заседаниях бывало по нескольку дней без отдыха, в жарких спорах, с очень серьёзными выражениями на лицах обсуждали такой, например, весьма важный, по их мнению, вопрос: «Сколько чертей может уместиться на острие иглы?»
Для науки вопросы, которые нельзя проверить экспериментально, не имеют смысла. Мы не можем воспроизвести в лаборатории и даже теоретически оценить гравитацию, температуру, давление и прочие условия при концентрации в небольшом объёме таких масс, как вся Вселенная. Неизвестно, как проявляются и существуют ли вообще в этом состоянии силы, обусловливающие гравитационные, электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия.
Нужно также принимать во внимание трудности оценки пространственных отношений в данных условиях. В соответствии с теорией относительности в сильных гравитационных полях и при протекании процессов со световыми скоростями искривлённое и сжатое пространство совсем не соответствует тому, что обычно существует в нашем воображении. Например, нельзя говорить о месте, из которого начался разлёт. Нельзя считать, что есть неподвижный центр, от которого остальные галактики удаляются. Это можно показать на модели двумерного пространства в виде раздуваемого шара, на поверхности которого нанесены точки. Эти точки будут одинаково удаляться друг от друга, и невозможно указать, какая из них является центром разбегания. В этой модели рассматриваемое пространство двумерно, центр разбегания находится в третьем измерении. Отличием реальной расширяющейся Вселенной от двумерной модели является то, что она трёхмерна и устройство нашего сознания не позволяет представить центр разбегания в четвёртом измерении. Единственная возможность решения этой проблемы – формулирование её в виде математических формул.
Здесь уместно вспомнить о том, как сам А. Эйнштейн определил суть своей теории, когда его попросили сделать это предельно кратко. По словам Эйнштейна, если раньше, до теории относительности считалось, что после исчезновения материи остаётся пустое пространство, то теперь исчезновение материи означает, что исчезает и пространство.
Помимо наблюдаемого разбегания галактик есть и ещё один существенный факт, который можно трактовать как свидетельство в пользу гипотезы Большого взрыва. Это так называемое реликтовое излучение. Теоретически оно было предсказано в 1953 г. американским учёным Георгием Антоновичем Гамовым (1904-1968). Его расчёты показывали, что в результате интенсивных взаимодействий на начальных этапах разлёта должно было возникнуть сильное электромагнитное излучение, следы которого могут присутствовать и по сей день. Излучение действительно было обнаружено в 1965 г. американскими учёными Арно Аланом Пензиасом (р.1933) и Робертом Вудроу Уилсоном (р.1936), удостоенными за это открытие Нобелевской премии. Настраивая новый радиотелескоп, эти учёные никак не могли избавиться от мешающего фонового излучения. Дальнейший анализ характера этого излучения показал, что оно постоянно во времени и одинаково по интенсивности во всех направлениях и в разных точках космического пространства, как и предсказывала гипотеза Гамова. Излучение относится к микроволновому радиодиапазону с длиной волны 7,35 см.
Исходное состояние Вселенной, с которого начался разлёт материи и формирование её современных форм, называется сингулярным. С некоторой определённостью можно сказать, что в этом состоянии не могут существовать такие формы материи, как фотоны, элементарные частицы и атомы, которые составляют основу современной Вселенной.
В настоящее время совместными усилиями многих стран построены дорогостоящие экспериментальные установки, на которых учёные надеются воссоздать некоторые виды высокоэнергетических взаимодействий, подобных взаимодействиям частиц материи во время Большого взрыва.
Состояние в начальные моменты разбегания из-за высоких скоростей и интенсивных взаимодействий материи принято называть горячей Вселенной. В результате взрыва, природа которого пока остаётся загадкой, вступили в действие уже известные нам законы квантовой механики, отвечающие за образование фотонов, элементарных частиц и атомов, начали действовать и законы классической ньютоновой механики.
Самыми простыми по строению являются атомы водорода. Они же в соответствии с законами квантовой механики являются и наиболее устойчивыми. Поэтому атомы водорода образовывались с наибольшими скоростями и составляли на начальных стадиях основную массу Вселенной. В настоящее время их доля определяется величиной около 90 % общего количества атомов.
В условиях горячей Вселенной при движении с громадными скоростями столкновения атомов водорода приводили к разрушению электронных оболочек и объединению ядер. В результате процесса, состоящего из нескольких этапов, четыре протона, из которых два превращаются в нейтроны, образуют ядро гелия – второго элемента таблицы Менделеева. Этот элемент также является очень устойчивым, но уступает по устойчивости водороду и для своего образования требует более сложных процедур. Его доля в современной Вселенной составляет приблизительно 10 %.
Подобным образом могут синтезироваться и атомы остальных элементов, но они гораздо менее устойчивы и эта устойчивость падает с увеличением порядкового номера и массы атома. Время жизни атомов некоторых тяжёлых элементов измеряется долями секунды. Соответственно их встречаемость во Вселенной находится в обратной зависимости от атомарной массы. Суммарная доля всех элементов, без водорода и гелия, не превышает 1 %.
Как и при любом взрывном процессе, представляющем собой сложную совокупность мощных разрывающих импульсов, разлетающееся вещество Вселенной (преимущественно водород) распределялось очень неравномерно. Возникали скопления совершенно разного характера - от отдельных молекул, пылинок, газовых туманностей и пылевых облаков до мелких тел и относительно крупных концентрированных скоплений масс. Крупные скопления, подчиняясь законам гравитации, начинали сжиматься. Конечный результат сжатия определялся величиной сжимающейся массы.
Если масса превышала некоторую критическую величину, например, чуть больше массы самой большой планеты нашей Солнечной системы Юпитера (п.4.5), то гравитационная энергия сжатия, превращаясь в тепло, разогревала космическое тело до млн. градусов. При такой температуре начинаются термоядерные процессы синтеза гелия из водорода, зажигается звезда.
Если же сжимаемая гравитацией масса не очень велика, то разогрев достигает тысяч градусов. Этого не достаточно для начала ядерных реакций и образуется раскалённое, постепенно остывающее тело, обычно спутник звезды (планета) или спутник крупной планеты. У более мелких масс разогрев происходит только в центральной части, они остывают быстрее и также становятся планетами или спутниками планет.
И, наконец, совсем мелкие тела не разогреваются. Малая масса не позволяет им эффективно удерживать летучие водород и гелий, которые рассеиваются за счёт диффузии в космическом пространстве. Этому, в частности, способствует и «выдувание» лёгких молекул «звёздным ветром» (поток быстро летящих элементарных частиц). Поэтому в составе не очень массивных тел преобладают тяжёлые элементы (например, кремний или железо) или простые соединения, например, вода в виде льда. Эти тела, в зависимости от размеров и конкретных условий, становятся кометами, астероидами, мелкими спутниками, образуют кольца обломочного материала вокруг планет или носятся в просторах космоса в виде метеоритов, пока не столкнутся с другими телами или не будут захвачены их гравитацией.
По поводу дальнейшей судьбы расширяющейся Вселенной пока нельзя дать окончательного ответа, поскольку не известна точная масса и средняя плотность материи. Расчёты показывают, что в зависимости от принимаемой величины массы можно ожидать как бесконечное разбегание галактик, так и постепенное замедление расширения под действием гравитации с последующим переходом к сжатию. Второй вариант позволяет выдвинуть гипотезу, в соответствии с которой в масштабе сотен миллиардов лет Вселенную можно рассматривать как пульсирующую систему, периодически возвращающуюся в сингулярные состояния, с последующими взрывами и расширениями.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему