Альтернативная космология. Модель Вселеной

Введение

Издавна человеческая мысль пытается разрешить проблему происхождения нашего мира, возникновения и дальнейшей судьбы вселенной. Этот вопрос относится к числу вечных вопросов, и, наверное, никогда не перестанет волновать умы людей. В разные времена предлагались и различные решения указанной проблемы. Согласно одним из них, мир был сотворен и когда-то начал свое существование; согласно другим – мир вечен и не имеет начала. Известны и такие точки зрения, согласно которым вселенная периодически возникает и уничтожается.

Происхождение и эволюция Вселенной

Вселенная возникла примерно 20 млрд. лет тому назад из некоего плотного и горячего протовещества. Сегодня можно только предполагать, каким было это прародительское вещество Вселенной, как оно образовалось, каким законам подчинялось, и что за процессы привели его к расширению. Существует точка зрения, что с самого начала протовещество с гигантской скоростью начало расширяться. На начальной стадии это плотное вещество разлеталось, разбегалось во всех направлениях и представляло собой однородную бурлящую смесь неустойчивых, постоянно распадающихся при столкновениях частиц. Остывая и взаимодействуя на протяжении миллионов лет, вся эта масса рассеянного в пространстве вещества концентрировалась в большие и малые газовые образования, которые в течение сотен миллионов лет, сближаясь и сливаясь, превращались в громадные комплексы. В них в свою очередь возникали более плотные участки – там впоследствии и образовались звезды и даже целые галактики. В результате гравитационной нестабильности в разных зонах образовавшихся галактик могут сформироваться плотные «протозвездные образования» с массами, близкими к массе Солнца. Начавшийся процесс сжатия будет ускоряться под влиянием собственного поля тяготения. Процесс этот сопровождает свободное падение частиц облака к его центру – происходит гравитационное сжатие. В центре облака образуется уплотнение, состоящее из молекулярного водорода и гелия. Возрастание плотности и температуры в центре приводит к распаду молекул на атомы, ионизации атомов и образованию плотного ядра протозвезды. Существует гипотеза о цикличности состояния Вселенной. Возникнув когда-то из сверхплотного сгустка материи. Вселенная, возможно, уже в первом цикле породила внутри себя миллиарды звездных систем и планет. Но затем неизбежно Вселенная начинает стремиться к тому состоянию, с которого началась история цикла, красное смещение сменяется фиолетовым, радиус Вселенной постепенно уменьшается и в конце концов вещество Вселенной возвращается в первоначальное сверхплотное состояние, по пути к нему безжалостно уничтожив всяческую жизнь. И так повторяется каждый раз, в каждом цикле на протяжении вечности! К началу 30-х годов сложилось мнение, что главные составляющие Вселенной – галактики, каждая из которых в среднем состоит из 100 млрд. звезд. Солнце вместе с планетной системой входит в нашу Галактику, основную массу звезд которой мы наблюдаем в форме Млечного Пути. Кроме звезд и планет. Галактика содержит значительное количество разреженных газов и космической пыли. Конечна или бесконечна Вселенная, какая у нее геометрия – эти и многие другие вопросы связаны с эволюцией Вселенной, в частности с наблюдаемым расширением. Если, как это считают в настоящее время, скорость «разлета» галактик увеличится на 75 км/с на каждый миллион парсек, то экстраполяция к прошлому приводит к удивительному результату: примерно 10–20 млрд. лет назад вся Вселенная была сосредоточена в очень маленькой области. Многие ученые считают, что в то время плотность Вселенной была такая же, как у атомного ядра. Проще говоря, Вселенная тогда представляла собой одну гигантскую «ядерную каплю». По каким-то причинам эта «капля» пришла в неустойчивое состояние и взорвалась. Последствия этого взрыва мы наблюдаем сейчас как системы галактик. Самый серьезный удар по незыблемости Вселенной был нанесен результатами измерений скоростей удаления галактик, полученными известным американским ученым Э. Хабблом. Он установил, что любая галактика удаляется от нас в среднем со скоростью, пропорциональной расстоянию до нее. Это открытие окончательно разрушило существовавшее со времен Аристотеля представление о статичной, незыблемой Вселенной, уже, впрочем, пошатнувшееся в связи с открытием эволюции звезд. Значит, галактики вовсе не являются космическими фонарями, подвешенными на одинаковых расстояниях друг от друга, и, более того, раз они удаляются, то когда-то в прошлом они должны были быть ближе к нам. Около 20 млрд. лет тому назад все галактики, судя по всему, были сосредоточены в одной точке, из которой началось стремительное расширение Вселенной до современных размеров. Но где же находится эта точка? Ответ: нигде и в то же время повсюду; указать ее местоположение невозможно, это противоречило бы основному принципу космологии. Еще одно сравнение, возможно, поможет понять это утверждение. Согласно общей теории относительности, присутствие вещества в пространстве приводит к его искривлению. При наличии достаточного количества вещества можно построить модель искривленного пространства. Передвигаясь по земле в одном направлении, мы в конце концов, пройдя 40000 км, должны вернуться в исходную точку. В искривленной Вселенной случится то же самое, но спустя 40 млрд. световых лет; кроме того, «роза ветров» не ограничивается четырьмя частями света, а включает направления также вверх-вниз. Итак, Вселенная напоминает надувной шарик, на котором нарисованы галактики и, как на глобусе, нанесены параллели и меридианы для определения положения точек; но в случае Вселенной для определения положения галактик необходимо использовать не два, а три измерения. Расширение Вселенной напоминает процесс надувания этого шарика: взаимное расположение различных объектов на его поверхности не меняется, на шарике нет выделенных точек. Чтобы оценить полное количество вещества во Вселенной, нужно просто подсчитать все галактики вокруг нас. Поступая, таким образом, мы получим вещества меньше, чем необходимо, чтобы, согласно Эйнштейну, замкнуть, «воздушный шарик» Вселенной. Существуют модели открытой Вселенной, математическая трактовка которых столь же проста и которые объясняют нехватку вещества. С другой стороны, может оказаться, что во Вселенной имеется не только вещество в виде галактик, но и невидимое вещество в количестве, необходимом, чтобы Вселенная была замкнута; полемика по этому поводу до сих пор не затихает.

Креативная роль физического вакуума

Произнося слово «вакуум», мы обычно представляем себе чрезвычайно разреженную среду, которую либо исследуют в специальных лабораториях, либо наблюдают в космическом пространстве. Однако вакуум это не пустота, а нечто совершенно иное: особое, ненаблюдаемое в повседневной жизни состояние материи, называемое физическим вакуумом.

Обычных (реальных) частиц в пустом объеме, конечно, нет, но квантовая теория предсказывает существование множества других частиц, называемых виртуальными. Такие частицы способны при определенных условиях превращаться в реальные.

Время жизни для частиц с массой me около

Итак, море ненаблюдаемых частиц, готовых при определенных условиях превратиться в обычное.

Состояние физического вакуума можно охарактеризовать наименьшим значением энергии таких квантовых полей, как скалярное поле, которое должно существовать в вакууме. Этому полю ставится в соответствие гипотетическая частица хиггс (по имени ученого Хиггса, ее предложившего), которая является примером сверхтяжелого бозона, масса которого, возможно, в

Один из проектов американские инженеры и физики планируют осуществить в конце века. Это будет очень мощный ускоритель на встречных пучках, причем для уменьшения потребляемой энергии в кольцевой установке с длиной окружности 84 км будут использованы сверхпроводящие магниты. Будущий ускоритель назван сверхпроводящим суперколлайдером SSC.

Одно из удивительных свойств физического вакуума связано с тем, что он создает отрицательное давление и, стало быть, сможет оказаться источником сил отталкивания в природе. Это свойство играет исключительно важную роль в сценарии «раздувающейся Вселенной».

Парадоксы стационарной Вселенной

В 1744 г. швейцарский астроном Жан Филипп де Шезо открыл фотометрический парадокс, связанный с предполагаемой бесконечностью вселенной. Суть его в следующем: если в бесконечной вселенной бесчисленное множество звезд, то по любому направлению взгляд земного наблюдателя непременно наталкивался бы на какую-нибудь звезду, и тогда небосвод имел бы яркость сравнимую с яркостью солнца, чего в действительности не наблюдается. В 1826 г. немецкий астроном Генрих Ольберс независимым путем пришел к тем же выводам. С тех пор фотометрический парадокс носит имя парадокса Шезо-Ольберса. Ученые пытались различными путями устранить указанный парадокс, предполагая неравномерность расположения звезд или поглощение света газопылевыми межзвездными облаками, как это пытались сделать Шезо и Ольберс. Однако, как было позже показано, газопылевые облака должны были нагреться и сами переизлучать поглощенные лучи, и этот факт не позволял избежать фотометрического парадокса.

В 1895 г. немецкий астроном Хуго Зеелигер открыл гравитационный парадокс, также связанный с предполагаемой бесконечностью вселенной. Суть его такова: если в бесконечной вселенной бесчисленное множество равномерно распределенных звезд (масс), то сила тяготения их, действующая на любое тело, становится или бесконечно большой или неопределенной (в зависимости от способа расчета), чего не наблюдается. И в этом случае предпринимались попытки избежать гравитационного парадокса, предполагая в законе тяготения другую формулу для гравитационной силы, или, считая, что плотность масс во вселенной близка к нулю. Но точные наблюдения за движением планет солнечной системы опровергли эти предположения. Парадокс оставался в силе.

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.

Расширяя границы

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».

Множество Солнц

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 .

Множество Млечных Путей

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.

Очевидная бесконечность

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».

Стационарная Вселенная

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.

На поверхности гиперсферы

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.

Расширяющаяся Вселенная

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.

Дальнейшее развитие космологии

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.

Современное представление о размере наблюдаемой 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.

За горизонтом

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.

Истинные границы

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.

Наглядное представление

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.

Масштабы Вселенной

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.

Внутри вселенского пузыря

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.

Уменьшая масштабы

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.

Модели стационарной Вселенной. Уникальность Вселенной не позволяет провести экспериментальную проверку выдвигаемых гипотез и поднять их до уровня теорий, поэтому эволюция Вселенной может рассматриваться только в рамках моделей.

После создания классической механики научная картина мира основывалась на ньютоновских представлениях о пространстве, времени и гравитации и описывала неизменную во времени, т.е. стационарную, бесконечную Вселенную, созданную Творцом.

В XX в. появились новые теоретические основы для создания новых космологических моделей.

Прежде всего надо упомянуть космологический постулат, согласно которому устанавливаемые в ограниченной части Вселенной физические законы справедливы и для всей Вселенной. Кроме того, считается аксиомой однородность и изотропность крупномасштабного распределения вещества во Вселенной. При этом модель эволюции должна соответствовать так называемому антропному принципу, т.е. предусматривать возможность появления на определенном этапе эволюции наблюдателя (разумного человека).

Поскольку именно тяготение определяет взаимодействие масс и на больших расстояниях, теоретическим ядром космологии ХХ в. стала релятивистская теория гравитации и пространства–времени – общая теория относительности. Согласно данной теории распределение и движение материи определяют геометрические свойства пространства-времени и в то же время сами зависят от них. Гравитационное поле проявляется как «искривление» пространства-времени. В первой космологической модели Эйнштейна, созданной на основе общей теории относительности в 1916 г., Вселенная также стационарна. Она безгранична, но замкнута и имеет конечные размеры. Пространство замыкается само на себя.

Фридмановские модели нестационарной Вселенной. Эйнштейновская модель стационарной Вселенной была опровергнута в работах русского ученого А.А. Фридмана (1888 – 1925) , который в 1922 г. показал, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно либо расширяться, либо сжиматься. Возможны три различных модели изменения радиуса кривизны Вселенной, зависящие от средней плотности вещества в ней, причем в двух из них Вселенная бесконечно расширяется, а в третьей – радиус кривизны периодически изменяется (Вселенная пульсирует).

Хотя открытие Э. Хабблом закона зависимости скорости удаления галактик от расстояния до них подтвердило расширение Вселенной, в настоящее время сравнение экспериментально оцененной плотности вещества с критическим значением данного параметра, определяющим переход от расширения к пульсации, не дает возможности однозначно выбрать сценарий дальнейшей эволюции. Эти две величины оказались близки, а экспериментальные данные - недостаточно надежны.

Расширение Вселенной в настоящее время является обоснованным и общепризнанным фактом, позволяющим оценить возраст Вселенной. В соответствии с наиболее распространенными оценками он составляет 10 18 с ( 18 млрд лет). Следовательно, современные модели предполагают «начало» Вселенной. Как же началась ее эволюция?

Модель горячей Вселенной. В основе современных представлений о начальных стадиях эволюции Вселенной лежит модель «горячей Вселенной», или «Большого Взрыва», основы которой были заложены в 40-х годах XX в. российским ученым, работавшим в США, Г.А. Гаммовым (1904 – 1968). В простейшем варианте данной модели представляется, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из сверхплотного и сверхгорячего состояния с бесконечной кривизной пространства (состояния сингулярности). «Горячесть» начального сингулярного состояния характеризуется преобладанием в нем электромагнитного излучения над веществом. Это подтверждается экспериментально обнаруженным в 1965 году американскими астрофизиками Пензиасом (г. р. 1933) и Вильсоном (г. р. 1936) изотропным электромагнитным «реликтовым излучением». Современные физические теории позволяют описать эволюцию материи начиная с момента времени t = 10 -43 c. Самые начальные моменты эволюции Вселенной пока находятся за физическим барьером. Только начиная с момента t = 10 -10 c после Большого Взрыва наши представления о состоянии вещества в ранней Вселенной и происходящих в ней процессах могут быть проверены экспериментально и описаны теоретически.

По мере расширения Вселенной плотность вещества в ней уменьшается и температура падает. При этом происходят процессы качественных превращений частиц вещества. В момент 10 -10 с вещество состоит из свободных кварков, лептонов и фотонов (см. раздел III). По мере остывания Вселенной происходит образование адронов, затем возникают ядра легких элементов – изотопов водорода, гелия, лития. Синтез ядер гелия прекращается в момент t = 3 мин. Только через сотни тысяч лет ядра соединяются с электронами, и возникают атомы водорода и гелия, и с этого момента вещество перестает взаимодействовать с электромагнитным излучением. «Реликтовое» излучение возникло именно в этот период. Когда размеры Вселенной были примерно в 100 раз меньше, чем в настоящую эпоху, из неоднородностей газообразного водорода и гелия возникли газовые сгустки, которые фрагментировались и привели к возникновению звезд и галактик.

Вопрос об исключительности Вселенной как объекта космологии остается открытым. Наряду с распространенной точкой зрения, что вся Вселенная – это наша Метагалактика, существует противоположное мнение, что Вселенная может состоять из множества метагалактик, а представление об уникальности Вселенной является исторически относительным, определяемым уровнем науки и практики.

Модель Вселенной. Стационарная Вселенная. Оглавление Модель Вселенной 1 Стационарная Вселенная 2 Следствия 3 Полевая теория элементарных частиц 4 Фотон- нейтринные взаимодействия 5 Красное смещение 6 Вывод 7 Модели Вселенной В XX столетии конкурировали две космологические теории - теория расширяющейся Вселенной (начальное состояние, из которого возникла Вселенная, было таким горячим и плотным, что могли существовать только элементарные частицы и излучение; затем вселенная расширялась и охлаждалась, образуя звезды и галактики) и теория стационарной Вселенной (Вселенная существовала всегда, наблюдаемое разряжение вещества компенсируется его непрерывным творением). Стационарная Вселенная Эйнштейн использовал всемирные уравнения из ОТО и связал кривизну пространства-времени с материей Вселенной. Он произвольно ввел "космическое отталкивание", которое было очень мало, но удерживало Вселенную от стягивания в точку. Теория стационарной Вселенной не отрицает расширение Вселенной. Идеи непрерывного творения материи возникали неоднократно. Так, в 1948 г. у группы ученых Кембриджского университета (Г. Бонд, Т. Голд и Ф. Хойл) родилась гипотеза стационарной Вселенной. Весьма возможно, что именно творение новой материи приводит к расширению Вселенной, а не наоборот. Общий возраст стационарной Вселенной- понятие бессмысленное. Чтобы плотность во Вселенной оставалась неизменной, должны постоянно формироваться новые частицы. Закон сохранения материи и энергии применим только к окончательным объёмам, и поскольку каждый 3 атом водорода сотворённый в 1 м, уравновешивается таким же атомом, покидающим этот объём, закон сохранения не нарушается. Закон сохранения может быть проверен лишь в ограниченном пространстве.. Сторонник этого мнения шведский астрофизик, лауреат Нобелевской премии за 1970 г., Х. Альфен считает, что межзвездное пространство заполнено длинными "нитями" и другими структурами, состоящими из плазмы. Силы, которые понуждают плазму образовывать такие фигуры, заставляют ее образовывать также и галактики, звезды и звездные системы. Он считает, что Вселенная расширяется под влиянием энергии, которая выделяется при аннигиляции частиц и античастиц, но это расширение происходит несколько медленней. Следствия Следствия исследований: 1) квазары имеют небольшую мощность излучения, а не превышающую на несколько порядков мощность излучения целых галактик, как принято считать в современной космологии; 2) в квазарах вещество разлетается с до световыми скоростями, а сверхсветовые значения получаются в результате завышения размеров Вселенной. Причину старения (покраснения) квантов он видит в гравитационном смещении частоты излучения, которое пропорционально не расстоянию до источника света, а квадрату расстояния. В этом случае размер видимой части Вселенной не 15 млрд. световых лет, а 5. Являются спорными утверждения об "окончательной доказанности" горячего происхождения Мироздания и скоростной природы космологического красного смещения. Э.Хаббл, открывший в 1929 г. закон космологических красных смещений в 1936 г. опубликовал первые наблюдательные доказательства ошибочности представлений о разбегании галактик. В частности установлено, что эмпирические зависимости, полученные по данным статистической обработки около ста каталогов внегалактических объектов, согласуются с исходными теоретическими соотношениями, выведенными на основе представлений об устойчивости Вселенной и "старении" фотонов. В целом они находятся в непримиримых противоречиях с космологическими моделями теории Большого Взрыва при любых комбинациях параметров этих моделей. "...Тщательное исследование возможных источников ошибок показывает, что наблюдения, по-видимому, согласуются с представлениями о не скоростной природе красных смещений. ...В теории до сих пор продолжается релятивистское расширение Вселенной, хотя наблюдения и не позволяют установить характер расширения. Итак, исследования пространства закончены на ноте неопределенности, но так и должно быть. Мы находимся, по определению, в самом центре наблюдаемой области. Наших ближайших соседей мы знаем, пожалуй, достаточно хорошо. По мере увеличения расстояния наши знания уменьшаются, причем уменьшаются быстро. В конечном счете наши возможности ограничены пределами наших телескопов. А дальше мы наблюдаем тени и ищем среди ошибок измерений ориентиры, которые едва ли являются более реальными. 2 Исследование будет продолжено. Пока не исчерпаны возможности эмпирического подхода, не следует погружаться в призрачный мир умозрительных построений." (Хаббл "Мир туманностей", 1936 г.) Полевая теория элементарных частиц В настоящее время полевая теория элементарных частиц установила механизм потери фотонами части энергии при их прохождении через Вселенную альтернативный эффекту Доплера и гипотезе Большова взрыва. - Это фотон- нейтринные взаимодействия игнорируемые стандартной моделью. Следовательно, красное смещение нельзя рассматривать как доказательство Большого взрыва и по величине красного смещения нельзя судить о скорости движения далеких объектов. Таким образом идея стационарной Вселенной получила неожиданную поддержку и поэтому теперь ее нельзя сбрасывать со счетов. Фотон- нейтринные взаимодействия Согласно полевой теории элементарных частиц, электронное нейтрино (как и любая другая элементарная частица) обладает постоянным электрическим и магнитным полем и переменным электромагнитным полем. Согласно классической электродинамики данные электромагнитные поля будут взаимодействовать с другими электромагнитными полями, в том числе и с электромагнитным полем фотона. Таким образом, прохождение фотона через электронное нейтрино (выбрасываемое в гигантских количествах звездами) или его молекулярное соединение (νe2) не окажется для последнего не замеченным - пусть это будет очень слабое изменение или уменьшение энергии фотона, но оно будет. И чем больше фотон повстречает на своем пути электронных нейтрино или их молекулярных соединений - тем больше энергии он потеряет и соответственно сильнее будет красное смещение. Одно дело, когда фотон летит параллельно с электронным нейтрино (движущейся с около световой скоростью) одним курсом, когда они были оба излучены солнцем и совсем другое дело, когда фотон сталкивается с покоящимся электронным нейтрино, со связанным состоянием из двух электронных нейтрино (νe2), или с электронным нейтрино, выпущенным другой звездой (движущейся в другом направлении). Теряемая фотоном энергия от взаимодействия с электронным нейтрино зависит от ориентации спина электронного нейтрино, траектории по которой фотон проходит через электронное нейтрино, а также от энергии самого фотона. Это не просто посчитать, но можно измерить с помощью космических аппаратов и лазеров. 3 Необходимо отметить, что данное взаимодействие не соответствует стандартной модели, поскольку последняя наделяет участвующие в нем элементарные частицы разными типами фундаментальных взаимодействий:  Нейтрино -гипотетическим слабое взаимодействие,  Фотон- электромагнитное взаимодействие. Поэтому и делается вывод о разбегании галактик на одностороннем толковании красного смещения в пользу эффекта Доплера. - В противовес этому полевая теория элементарных частиц установила о наличии электромагнитных полей у всех элементарных частиц, в том числе и у такой неуловимой элементарной частицы как у электронного нейтрино. Следовательно фотон и электронное нейтрино обладая общими электронными взаимодействиями, согласно классической электродинамике должны взаимодействовать друг с другом и у гипотезы "старения света" появляется союзник- полевая теория элементарных частиц. И если отбросить стандартную модель ошибочность, которой уже доказана, то это автоматически низвергает и "теорию Большого взрыва" до уровня простой гипотезы, противоречащей законам природы. Красное смещение На протяжении веков разные космологические модели сменяли друг друга, но считалось абсолютно незыблемым, что Вселенная бесконечна во времени и пространстве. Звездное небо над головой являлось символом вечности и неизменности. Но в 1929 году, исходя из наблюдений спектров галактик, Эдвин Хаббл сформулировал свой закон, из которого следует, что Вселенная расширяется. Он звучит так: скорости разбегания галактик возрастают пропорционально расстоянию до них: v = Hr где v - скорость удаления галактики от нас, r - расстояние до нее, а H - постоянная Хаббла. Н= 70 км/(с Мпк). Закон Хаббла вовсе не означает, что наша Галактика является центром, от которого и идет расширение. В любой точке Вселенной наблюдатель увидит ту же самую картину: все галактики убегают друг от друга. Поэтому говорят, что расширяется само пространство. Расширение Вселенной – это самое величайшее из известных человечеству явлений природы. Чем быстрее удаляется от нас галактика, тем сильнее линии в ее спектре будут смещены в сторону красного цвета, согласно эффекту Доплера. 4 Эффект назван в честь христианина Андреас Доплера, который предложил первое известное физическое объяснение явления в 1842 г. Гипотеза была проверена и подтверждена для звуковых волн голландским Избирательным бюллетенем ученого Кристофа Хендрика Дидерика Байса в 1845 г. Доплер правильно предсказал, что явление должно обратиться ко всем волнам, и в особенности предложило, что переменные цвета звезд могли быть приписаны их движению относительно Земли. Данное явление и называется «красное смещение» - наблюдаемое для всех далёких источников (галактики, квазары) понижение частот излучения, свидетельствующее о динамическом удалении этих источников друг от друга и, в частности, от нашей Галактики, т.е. о не стационарности (расширении) Метагалактики. Красное смещение наблюдается и в излучениях любых других частот например в радиодиапазоне. Противоположный эффект, связанный с повышением частот, называется фиолетовым смещением. Чаще всего термин «красное смещение» используется для обозначения двух явлений - космологического и гравитационного. Космологическим красным смещением называют наблюдаемое смещение спектральных линий в сторону длинных волн от далекого космического источника (например, галактики или квазара) в расширяющейся Вселенной по сравнению с длиной волны тех же линий, измеренной от неподвижного источника. Красное смещение также является мерой времени, протекшего с момента начала расширения Вселенной до момента испускания света в галактике. Так, по современным астрономическим данным, самые первые галактики образовались в момент времени, соответствующий красному смещению 5, то есть спустя примерно 1/15 часть современного возраста Вселенной. Значит, свет от этих галактик шел до нас примерно 8.5 миллиардов лет. Вплоть до начала нашего века ученые полагали, что основные объекты во Вселенной неподвижны по отношению друг к другу. Затем в 1913 году американский астроном Весто Мельвин Слайфер начал изучать спектры света, приходящего из десятка известных туманностей и заключил, что они движутся от земли со скоростями, достигающими миллионы миль в час. Каким образом Слайфер пришел к такому удивительному заключению? Обычно астрономы использовали спектрографический анализ для определения химических элементов, присутствующих в звездах. Было известно, что спектр света связан с определенными элементами, показывающими характерные образцы линий, которые служат своего рода визитной карточкой элемента. Слайфер заметил, что в спектрах галактик, которые он изучал, линии определенных элементов были смещены в направлении красного конца спектра. Это любопытное явление и было названо "красным смещением". 5 Поэтому считается, красное смещение для галактик впервые было обнаружено В. Слайфером, а в 1929 г. Э. Хаббл открыл, что красное смещение для далёких галактик больше, чем для близких, и возрастает приблизительно пропорционально расстоянию (закон Хаббла). Предлагались различные объяснения наблюдаемого смещения спектральных линий. Такова, например, гипотеза о распаде световых квантов за время, составляющее миллионы и миллиарды лет, в течение которого свет далёких источников достигает земного наблюдателя; согласно этой гипотезе, при распаде уменьшается энергия, с чем связано и изменение частоты излучения. Однако эта гипотеза не подтверждается наблюдениями. В частности, красное смещение в разных участках спектра одного и того же источника, в рамках гипотезы, должно быть различным. Между тем все данные наблюдений свидетельствуют о том, что красное смещение не зависит от частоты. Относительное изменение частоты Z = (fo - f")/fo совершенно одинаково для всех частот излучения не только в оптическом, но и в радиодиапазоне данного источника (fo - частота некоторой линии спектра источника, f" - частота той же линии, регистрируемая приёмником). В теории относительности доплеровское красное смещение рассматривают как результат замедления течения времени в движущейся системе отсчёта (эффект специальной теории относительности). Фотографирование спектров слабых (далёких) источников для измерения красного смещения, даже при использовании наиболее крупных инструментов и чувствительных фотопластинок, требует благоприятных условий наблюдений и длительных экспозиций. Для галактик уверенно измеряются смещения Z = 0,2, соответствующие скорости V = 60 000 км/сек и расстоянию свыше 1 млрд. пс. При таких скоростях и расстояниях закон Хаббла применим в простейшей форме (погрешность порядка 10%, т.е. такая же, как погрешность определения Н). Квазары в среднем в сто раз ярче галактик и, следовательно, могут наблюдаться на расстояниях в десять раз больших (если пространство евклидово). Для квазаров действительно регистрируются Z = 2 и больше. При смещениях Z = 2 скорость V= 240000 км/сек. Считают, что при таких скоростях уже сказываются специфические космологические эффекты – не стационарность и кривизна пространства-времени; в частности, становится неприменимым понятие единого однозначного расстояния (одно из расстояний - расстояние по красному смещению - составляет здесь, очевидно, R = V/H = 4,5 млрд. пс). Таким образом, считают, что красное смещение свидетельствует о расширении всей доступной наблюдениям части Вселенной; это явление обычно называется расширением (астрономической) Вселенной. Гравитационное красное смещение считают следствием замедления темпа времени обусловленного гравитационным полем (эффект общей теории относительности). Это явление (называется также эффектом Эйнштейна, обобщённым эффектом Доплера) было предсказано А. Эйнштейном в 1911, наблюдалось, начиная с 1919 года сначала в излучении Солнца, а затем и некоторых других звёзд. Гравитационное красное смещение принято 6 характеризовать условной скоростью V, вычисляемой формально по тем же формулам, что и в случаях космологического красного смещения. Значения условной скорости: для Солнца V = 0,6 км/сек, для плотной звезды Сириус V = 20 км/сек. В 1959 г. впервые удалось измерить красное смещение, обусловленное гравитационным полем Земли, которое очень мало: V = 7,5×10^-5 см/сек (опыт Паунда - Ребки). В некоторых случаях (например, при гравитационном коллапсе) должно наблюдаться красное смещение обоих типов (в виде суммарного эффекта). Наличие у галактик красного смещения (z) позволяет с большой точностью определять расстояния до них по формуле: R=zc/H. Некоторые квазары имеют большое красное смещение. Такие объекты удаляются со скоростью, близкой к скорости света. Красные смещения измерены у сотен тысяч галактик. Самые далекие из них находятся на расстоянии 12 миллиардов световых лет. Вывод, о расширении Вселенной следовал из общей теории относительности Эйнштейна, но даже сам Эйнштейн вначале воспринял это со скепсисом, так как это была идея поступательной эволюции, и в ней было начало, или как говорят сегодня момент рождения, что, конечно, полностью противоречило существующим понятиям бесконечной во времени и пространстве Вселенной. Тем не менее, эта идея была подтверждена наблюдениями и сейчас является общепринятой в научной мире. В 1946 году Георгий Гамов и его коллеги разработали физическую гипотезу начального этапа расширения Вселенной (теория горячей Вселенной), правильно объясняющую наличие в ней химических элементов, в определенных пропорциях, их синтезом при очень высоких температуре и давлении. Поэтому начало расширения Вселенной по теории Гамова назвали «Большим Взрывом». В своем основании эта теория предполагает, что в начале вся материя во Вселенной была сконцентрирована внутри ничтожно малого объема бесконечно большой температуры и давления. Затем, согласно сценарию, она взорвалась с чудовищной силой. Этот взрыв породил перегретый ионизированный газ, или плазму. Эта плазма однородно расширялась, пока не остыла до такой степени, что превратилась в обычный газ. Внутри этого охлаждающегося облака расширяющегося газа сформировались галактики, и внутри галактик рождались поколения звезд. Затем вокруг звезд сформировались планеты, такие как наша Земля. Но мало людей осознают такой факт, что даже из самых мощных телескопов невозможно реально увидеть движение галактик от нас. Картины, которые мы видим - неподвижны, и ученые не претендуют показать их видимое движение, даже если наблюдения будут продолжаться веками. 7 Итак, чтобы узнать расширяется Вселенная или нет, необходимо рассмотреть свет и другие сорта излучений, которые доходят до нас, пересекая области межзвездного пространства. Изображения, формирующиеся из этих излучений, прямо не показывают расширения Вселенной, но тонкие особенности излучения убедили ученых, что это расширение имеет место. Ученые делают первое предположение, что земные законы физики применимы без изменения повсюду во Вселенной. Затем они пытаются понять, как процессы, подчиняющиеся этим законам, порождают наблюдаемый свет. Чтобы понять, как ученые, используя этот путь для анализа света, делают вывод, что Вселенная расширяется, давайте заглянем в историю астрономии и астрофизики. Астрономы, наблюдая небеса, давно уже заметили, что вдобавок к отдельным звездам и планетам на небе существовали много слабо светящихся тел. Они назвали их «nebulae». Это латинское слово, означающее «облако» или «туманность». И позднее, с развитием их концепции, эти объекты назвали галактиками. Большей по размеру, чем полная луна, и настолько тусклой, что еле видна невооруженным глазом, выглядит соседняя галактика Андромеда. В начале нашего века астрономы обратили мощные новые телескопы к этой и другим галактикам и обнаружили, что они представляют собой обширные острова из миллиардов звезд. На дальних расстояниях были обнаружены целые скопления галактик. До открытия звезд в Андромеде думали, что все небесные тела расположены внутри границ нашей галактики. Но в связи с развитием концепции и открытием других, более далеких, галактик все изменилось. Размеры Вселенной расширились за пределы понимания. Открыв явление «красного смещения» В.Слайфер начал объяснять его эффектом Доплера, откуда можно сделать вывод, что галактики движутся от нас. Это был первый большой шаг к идее, что вся Вселенная расширяется. Эффект Доплера часто разъясняют, используя пример с гудком поезда, который меняет высоту звука, при движении поезда мимо нас. Это явление впервые научно изучалось в 1842 году австрийским физиком Христианом Джоанном Доплером. Он предполагал, что интервалы между звуковыми волнами, излученными от объекта, движущегося в направлении к наблюдателю, сжимаясь, поднимают высоту тона звука. Подобным образом, интервалы между звуковыми волнами, достигающими наблюдателя от источника, движущегося от него, удлиняются, и, таким образом, высота звука понижается. Сообщалось, что Доплер проверял эту идею, поместив трубачей на железнодорожной платформе, приводимой в движение локомотивом. Музыканты с совершенным слухом внимательно слушали, когда мимо них проезжали трубачи, и они подтвердили анализ Доплера. 8 Доплер предсказал подобный эффект и для световых волн. Для света, увеличение в длине волны соответствует смещению в направлении к красному концу спектра. Поэтому спектральные линии объекта, перемещающегося от наблюдателя, должны сместиться к красному концу спектра. Слифер выбрал для интерпретации своего наблюдения галактик эффект Доплера. Он заметил красное смещение и решил, что галактики должны удаляться от нас. Другой шаг, ведущий к убеждению в расширении Вселенной, был сделан в 1917 году, когда Эйнштейн опубликовал свою теорию относительности. До Эйнштейна ученые всегда предполагали, что пространство простирается бесконечно по всем направлениям, и что геометрия пространства Эвклидова и трехмерна. Но Эйнштейн предположил, что пространство может иметь другую геометрию - четырехмерного искривленного замкнутого пространства-времени. Согласно теории Эйнштейна существует множество форм, которые может принимать пространство. Одна из них - замкнутое пространство без границ, похожая на поверхность сферы; другая - отрицательно искривленное пространство, которое бесконечно простирается во всех направлениях. Сам Эйнштейн думал, что Вселенная статична, и он приспособил свое уравнение для этого. Но, почти, в то же время, датский астроном Вильям де Ситтер нашел решение уравнения Эйнштейна, которое предсказывало быстрое расширение Вселенной. Такая геометрия пространства должна изменяться со временем. Работа де Ситтера вызвала интерес среди астрономов всего мира. Среди них - Эдвин Хаббл. Он присутствовал на конференции Американского Астрономического Общества в 1914 году, когда Слайфер докладывал о своих оригинальных находках в движении галактик. В 1928 году в знаменитой обсерватории Маунт Вильсон, Хаббл взялся за работу в попытке соединить теорию де Ситтера о расширяющейся Вселенной и наблюдения Сайфера удаляющихся галактик. Хаббл рассуждал примерно так: В расширяющейся Вселенной вы должны ожидать удаление галактик друг от друга. И, более далекие галактики будут удалятся друг от друга быстрее. Это должно означать, что из любой точки, включая Землю, наблюдатель должен видеть, что все другие галактики удаляются от него, и, в среднем, более далекие галактики должны двигаться быстрее. Хаббл думал, что если бы это было верно и наблюдалось на самом деле, то оказалось бы, что существует пропорциональная зависимость между расстоянием до галактики и степенью красного смещения в их спектре. Он наблюдал, что в спектрах большинства галактик имеет место красное смещение, и галактики на больших расстояниях от нас имеют большее красное смещение. Хаббл не знал, насколько удалена от нас каждая данная галактика и поэтому предложил использовать такую идею: «Мы можем начать оценивать расстояния до ближайших звезд при помощи различных методов. Затем, шаг за шагом, мы 9 можем построить «лестницу космических расстояний», которая даст нам оценку расстояний до некоторых галактик. Если мы сможем оценивать присущую яркость галактик, тогда мы сможем найти отношение расстояния до неизвестной галактики к расстоянию до известной, измеряя видимую яркость галактики. Эта зависимость подчиняется закону обратного корня. Здесь мы не будем вникать в детали комплексной процедуры, используемой для обоснования лестницы расстояний. Заметим только, что эта процедура включает в себя много теоретических интерпретаций, в которых много сомнительных мест, и, которые подвергались ревизии, часто в неожиданных местах. Это будет проявляться по мере изложения». Хаббл, используя свой метод аппроксимации расстояний, обосновал пропорциональную зависимость, известную сейчас как закон Хаббла, между величиной красного смещения и расстоянием до галактики. Он полагал, что ясно показал то, что наиболее далекие галактики имеют наибольшие красные смещения и поэтому движутся от нас наиболее быстро. Он принял это как достаточное доказательство, что Вселенная расширяется. С течением времени эта идея так твердо обосновалась, что астрономы начали применять ее наоборот: Если расстояние пропорционально красному смещению, то по измеренному красному смещению можно просто вычислить расстояние до галактик. Но как мы заметили, расстояния Хаббла определены не прямым измерением расстояния до галактик. Наоборот, они получены косвенно, из измерения видимой яркости галактик. Таким образом, модель расширяющейся Вселенной имеет два потенциальных изъяна: во-первых, яркость небесных объектов может зависеть от других факторов, а не только от расстояния, и таким образом, расстояния, вычисленные из видимых яркостей галактик, могут быть недействительными; во-вторых, возможно, что красное смещение не связано со скоростью. Фактически, некоторое количество астрономов утверждают, что некоторые красные смещения не вызваны эффектом Доплера. И до сих пор стоит вопрос о правильности концепции расширяющейся Вселенной. Астрономом, который поставил под сомнение интерпретацию, что все красные смещения вызваны эффектом Доплера, является Хэльтон Арп. На Паломаре он наблюдал много примеров противоречивых красных смещений, которые не подчиняются закону Хаббла. Анализируя их, он предположил, что красные смещения в общем случае могут быть вызваны другими, отличными от эффекта Доплера, механизмами. Здесь возникает вопрос, почему ученые интерпретируют красные смещения исключительно эффектом Доплера. Может быть правильно то, что эффект 10 Доплера вызывает красное смещение, но откуда наверняка можно знать, что красное смещение вызвано именно эффектом Доплера? Одной из главных причин такого заключения является то, что согласно современной физике красное смещение может вызывать, исключая эффект Доплера, только мощное гравитационное поле. Если свет движется против гравитационного поля, то он частично теряет свою энергию и испытывает красное смещение. Однако, астрономы не находят такое объяснение приемлемым для звезд и галактик, потому что, чтобы вызвать наблюдаемое красное смещение, гравитационное поле должно быть неправдоподобно сильным. Арп сообщает, что он нашел объект с большим красным смещением в непосредственной близости от другого, имеющего малое красное смещение. Согласно стандартной теории расширяющейся Вселенной, объект с малым красным смещением должен быть относительно ближе к нам, а объект с большим красным смещением должен быть дальше. Таким образом, два объекта, находящиеся близко друг к другу, должны иметь примерно одинаковые красные смещения. Однако, Арп приводит следующий пример: Спиральная галактика NGC 7603 связана с соседней галактикой при помощи светящегося моста, и тем не менее соседняя галактика имеет красное смещение на 8000 километров в секунду больше чем спиральная галактика. Если судить по разнице их красных смещений, галактики должны быть в значительных расстояниях друг от друга, определенно, соседняя галактика должна находиться на 478 миллионов световых лет дальше - уже странно, ведь две галактики достаточно близки для физического контакта. Сравнения их, наша Галактика отстает от ближайшей соседки, галактики Андромеды, всего на 2 миллиона световых лет. Конечно, имеются сторонники стандартной точки зрения, которые сильно не согласны с интерпретацией Арпа. Они полагают, что объекты на самом деле расположены далеко друг от друга, а их видимая близость только кажущаяся. Так называемый светящийся мост существует, но более далекая галактика только случайно оказалась сзади моста вдоль нашего луча зрения. Тем не менее, Арп отмечает значительную поверхностность в рассуждениях противников его идеи: «Галактика, которую они показывают, в любом случае необычна. Светящийся мост к звезде является просто одним из его обычных спиральных рукавов». Однако в примере Арпа мост является необычной структурой, не является нормой в таких галактиках. Вероятность того, что две галактики указанных типов расположатся в такой конфигурации намного меньше чем вероятность того, что звезда Млечного Пути встанет на одной линии с обычной галактикой. Арп нашел много других примеров, которые противоречат традиционному пониманию красного смещения. Здесь представлен один из наиболее спорных открытий. Квазар Makarian 205, вблизи спиральной галактики NGC 4319 визуально связан с галактикой посредством светящегося моста. Галактика имеет 11 красное смещение 1,800 километров в секунду, соответствующее расстоянию около 107 миллионам световых лет. Квазар имеет красное смещение 21,000 километров в секунду, который должен означать, что он находиться на расстоянии 1,24 миллиардов световых лет. Но Арп предположил, что эти объекты определенно связаны и это показывает, что стандартная интерпретация красного смещения ошибочна в этом случае. (Можно заметить, кстати, тот факт, что астрономы выражают красное смещение в километрах в секунду. Это показывает их приверженность к идее, которая объясняет красное смещение эффектом Доплера.) Критики заявили, что не нашли связующего моста, показанного в картине Арпа на фотографии галактики NGC 4319. Другие сообщили, что мост является "поддельным фотографическим эффектом". Но позднее Джек М.Сулентик из Алабамского университета сделал обширное фотометрическое исследование этих двух объектов и заключил, что связующий мост реален. Другим примером противоречивого красного смещения, замеченный Арпом, является находка в высшей степени необычной цепи галактик, называемой, Воронцов-Вельяминов 172, в честь русского первооткрывателя. В этой цепочке галактик меньший, более компактный член имеет красное смещение вдвое больше чем другие. Кроме пары галактик с противоречивыми красными смещениями, Арп обратил внимание на кое-что даже более страннее - оказывается, что квазары и галактики могут извергать другие квазары и галактики. Здесь приводятся несколько примеров: Взрывающаяся галактика NGC 520 имеет явно малое красное смещение. Четыре слабых квазара, расположены вдоль прямой линии, движущихся к юго-востоку от галактики. Арп доказал, что эти слабые квазары единственные в этом регионе. Может ли быть простой случайностью, что они выстроились почти в одну линию от галактики? Арп утверждал, что такой шанс крайне мал и предположил, что квазары извергаются из взрывающейся галактики. Достаточно интересно, что квазары имеют красное смещение намного больше, чем галактика, которая, кажется, является их родителем. Примечательно, что согласно стандартной теории красного смещения, квазары должны быть намного дальше, чем галактика. Арп интерпретирует этот и другие сходные примеры, предполагая, что только что извергнутые квазары рождаются с большими красным смещениями, и постепенно, их красные смещения уменьшаются с течением времени. Некоторые ученые задают вопрос, реально ли для галактики извергать другие массивные объекты, такие как, галактики или квазары. В ответ Арп указывает на поразительную фотографию гигантской галактики М87, извергающую струю материи. Когда мы рассматриваем эллиптические галактики в регионе вокруг галактики М87 (тоже эллиптического типа), мы видим, что они все падают в направлении извергаемой струи материи. Астрономы предполагают, как и Арп, что эти галактики извергнуты из М87. 12 Как может одна галактика испускать другую галактику? Если галактика является "островной вселенной", состоящей из обширного агрегата звезд и газа, как она может испускать другую галактику, являющейся таким же агрегатом из звезд и газа? Вполне вероятно, что радиоастрономия может дать ключ. В последнее время радиоастрономы уверяют, что обширные области радиоэмиссии могут быть извергнуты из галактик. Эти эмиссионные области существуют в парах с каждой стороны некоторых галактик. Для объяснения этого, астрономы постулируют существованье гигантских вращающихся черных дыр в центре галактики, которые пожирают ближайшие звезды и выплевывают материю в обоих направлениях вдоль оси вращения. Тем не менее, если анализ Арпа верен, он не только объясняет области эмиссионного излучения, которые могут состоять из тонкого газа, но и такой факт, что внутренность галактики или предшественники галактик могут вылетать. Возвращаясь к красным смещениям таких вылетающих галактик и квазаров, Арп нашел следующее: Извергнутые объекты обладают намного большим красным смещением, чем их родитель, хотя и находятся в непосредственной близости от него. Арп объясняет это только тем, что их красные смещения не вызваны эффектом Доплера. Так что астрономы измеряют не скорость, с которым объект удаляется. Скорее всего, красное смещение связано с реальным физическим состоянием объекта. Однако настоящие законы физики не дают ответ на вопрос, что за состояние это может быть. До сих пор думают, что галактика состоит из отдельных звезд плюс облаков газа и пыли. Какие же качества она может иметь, чтобы в результате получить красное смещение, вызванное не эффектом Доплера или гравитацией? Это не может быть объяснено в терминах известных физических законов. Конечно, находки Арпа очень спорны, и многие астрономы сомневаются, что такая связь между галактиками и квазарами может быть действительно реальна. Но это всего лишь одна линия доказательства, предполагающая, что стандартная интерпретация красного смещения галактик может быть изменена. Вывод Гипотеза Большого взрыва по-прежнему остается не доказанным предположением (или просто говоря - является сказкой), а идея Стационарной Вселенной нуждается в дальнейшем исследовании. Какая теория возникнет потом - время покажет. Вселенная не так пуста, как кажется. В ней идут процессы преобразования и переноса энергии (в том числе и теми же нейтрино - не видимыми переносчиками энергии) и физике 13 предстоит понять, описать и объяснить все это, а не выдумывать всякие правдоподобные математические сказки. Сейчас физика не может однозначно сказать, каков реальный возраст Вселенной и можно ли его как-то измерить. Но теперь совершенно ясно, что 13,7 млрд. лет назад вселенная была, в ней были галактики со звездами, у звезд были планеты, на части планет была жизнь, на некоторых разумная и тогда мыслящие существа тоже задавались вопросом каков реальный возраст. 14

Под космологическими данными понимают результаты экспериментов и наблюдений, имеющие отношение к Вселенной в целом в широком диапазоне пространства и времени. Любая мыслимая космологическая модель должна удовлетворять этим данным. Можно выделить 6 основных наблюдательных фактов, которые должна объяснить космология:

1. В больших масштабах Вселенная однородна и изотропна, т.е. галактики и их скопления распределены в пространстве равномерно (однородно), а их движение хаотично и не имеет явно выделенного направления (изотропно). Принцип Коперника, «сдвинувшего Землю из центра мира», был обобщен астрономами на Солнечную систему и нашу Галактику, которые также оказались вполне рядовыми. Поэтому, исключая мелкие неоднородности в распределении галактик и их скоплений, астрономы считают Вселенную такой же однородной везде, как и вблизи нас.

2. Вселенная расширяется. Галактики удаляются друг от друга.

Любая космологическая модель Вселенной опирается на определенную теорию гравитации. Таких теорий много, но лишь некоторые из них удовлетворяют наблюдаемым явлениям. Теория тяготения Ньютона не удовлетворяет им даже в пределах Солнечной системы. Лучше всех согласуется с наблюдениями общая теория относительности Эйнштейна, на основе которой русский метеоролог А.Фридман в 1922 и бельгийский аббат и математик Ж.Леметр в 1927 математически описали расширение Вселенной. Из космологического принципа, постулирующего пространственную однородность и изотропность мира, они получили модель Большого взрыва. Их вывод подтвердился, когда Хаббл обнаружил связь между расстоянием и скоростью разбегания галактик. Второе важное предсказание этой модели, сделанное Г.Гамовым, касалось реликтового излучения, наблюдаемого сейчас как остаток эпохи Большого взрыва. Другие космологические модели не могут так же естественно объяснить это изотропное фоновое излучение. Горячий Большой взрыв. Согласно космологической модели Фридмана – Леметра, Вселенная возникла в момент Большого взрыва – ок. 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). 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 (см . КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА) . Но квантовой теории гравитации пока не существует, поэтому никто не знает, как развивались события до момента 10