было уменьшение объема и плотности вещества.Первоначальную плотность вещества Леметр назвал протоатомом с плотностью 1093 г/см3, из которого Богом
был создан мир. Из этой модели следует, что понятие плотности вещества может быть использовано для определения границы применимости понятий пространства и времени: при плотности 1093 г/см3 понятия времени и пространства теряют свой обычный физический смысл. Эта модель привлекла внимание кфизическому состоянию со сверхплотными и сверхгорячими физическими параметрами. Кроме этого, были предложены модели пульсирующей Вселенной:Вселенная расширяется и сжимается, но никогда не доходит до крайних пределов. Модели пульсирующей Вселенной придают большое значение измерению плотности энергии-вещества во Вселенной. При достижении критического предела плотности Вселенная расширяется или сжимается. В результате появился термин «сингулярное»(лат. singularus — отдельный, единичный) состояние, в котором плотность и температура принимают бесконечное значение. Это направление исследований столкнулось с проблемой «скрытой массы» Вселенной. Дело в том, что наблюдаемая масса Вселенной не совпадает с ее массой, вычисленной на основе теоретических моделей.
Модель «Большого взрыва».Наш соотечественник Г. Гамов (1904—1968)
работал в Петроградском университете и был знаком с космологическими идеями
А. Фридмана. В 1934 г. он был послан в командировку в США, где остался до конца своей жизни. Под влиянием космологических идей А. Фридмана Г. Гамов заинтересовался двумя проблемами: 1) относительной распространенностью химических элементов во Вселенной и 2) их происхождением. К концу первой половина ХХ в. велась оживленная дискуссия по этим проблемам: где могут образовываться тяжелые химиче-
| |
распространенными химическими элементами во Вселенной. Г. Гамов
предположил, что химические элементы ведут свою историю от самого начала расширения Вселенной.
Модель Г. Гамова называется моделью «Большого взрыва», но она имеет
и другое название: «А-Б-Г-теория». В этом названии указаны начальные буквы авторов статьи (Альфер, Бете, Гамов), которая была опубликована в 1948 г. и содержала модель «горячей Вселенной», но основная идея этой статьи принадлежала Г. Гамову.
Кратко о сути этой модели:
1. «Исходное начало» Вселенной, по модели Фридмана, было представлено сверхплотным и сверхгорячим состоянием.
2. Это состояние возникло в результате предыдущего сжатия всей материальной, энергетической составляющей Вселенной.
3. Этому состоянию соответствовал чрезвычайно малый объем.
4. Энергия-материя, достигнув некоторого предела плотности и температуры в этом состоянии, взорвалась, произошел Большой взрыв, который Гамов назвал
«Космологическим Большим взрывом».
5. Речь идет о необычном взрыве.
6. Большой взрыв придал определенную скорость движения всем фрагментам исходного физического состояния до Большого
взрыва.
7. Поскольку исходное состояние было сверхгорячим, то расширение должно сохранить остатки этой температуры по всем направлениям расширяющейся Вселенной.
8. Величина этой остаточной температуры должна быть приблизительно одинаковой во всех точках Вселенной.
Это явление было названо реликтовым (древним), фоновым излучением. В
1953 г. Г. Гамов вычислил волновую температуру реликтового излучения. У него
получилось 10 К. Реликтовое излучение — это микроволновое электромагнитное излучение.
В 1964 г. американские специалисты А. Пензиас и Р. Вильсон случайно обнаружили реликтовое излучение. Установив антенны нового радиотелескопа, они не могли избавиться от помех в диапазоне 7,8 см. Эти помехи, шум шли из космоса, одинаковые по величине и по всем направлениям. Измерения этого фона излучения дали температуру меньше 10 К.
Таким образом, гипотеза Г. Гамова о реликтовом, фоновом излучении подтвердилась. В своих работах о температуре фонового
излучения Г. Гамов использовал формулу А. Фридмана, выражающую
зависимость изменения плотности излучения во времени. В параболической (К>
0) модели Вселенной Фридман рассматривал состояние, когда излучение преобладает над веществом в неограниченно расширяющейся Вселенной. Согласно модели Гамова в развитии Вселенной существовало две эпохи: а) преобладание излучения (физического поля) над веществом и б) преобладание вещества над излучением. В начальный период излучение преобладало над веществом, затем было время, когда их отношение было равным, и период, когда вещество стало преобладать над излучением. Гамов определил границу между этими эпохами — 78 млн лет.
В конце ХХ в. измерения микроскопических изменений фонового излучения, которую назвали рябью,позволили ряду исследователей утверждать, что эта рябь представляет изменение плотности вещества и энергии врезультате действия сил гравитации на ранних стадиях развитияВселенной.
Модель «ИнфляционнойВселенной». Термин «инфляция» (лат. «inflation») трактуется как вздутие. Два исследователя А. Гут и П. Сейнхардт предложили эту модель. В этой модели эволюция Вселенной сопровождается гигантским вздутием квантового вакуума: за 10-30 с происходит увеличение размеров Вселенной в 1050 раз. Инфляция является адиабатическим процессом. Он связан с охлаждением и возникновением различия между слабым, электромагнитным и сильным взаимодействием. Аналогия раздувания Вселенной может быть, грубо говоря, представлена как внезапная кристаллизация переохлажденной жидкости. Первоначально инфляционная фаза рассматривалась как «второе рождение» Вселенной после Большого взрыва. В настоящее время инфляционные модели используют понятие инфлатонного поля. Это гипотетическое поле (от слова
«инфляция»), в котором благодаря случайным колебаниям образовалась однородная конфигурация этого поля размером более 10-33 см. Из нее произошло расширение и разогревание Вселенной, в которой мы живем.
Описание событий во Вселенной на основе модели «Инфляционной Вселенной» полностью совпадает с описанием на основе модели Большого взрыва, начиная с 10-30 с расширения. Фаза раздувания означает, что наблюдаемая Вселенная составляет только часть Вселенной. В учебнике Т. Я. Дубнищевой
«Концепции со-
временного естествознания»1 предлагается следующий ход событий согласно
модели «Инфляционной Вселенной»:
1) t — 10-45 с. К этому моменту после начала расширения Вселенной ее радиус составлял приблизительно 10-50 см. Это событие является необычным с точки зрения современной физики. Предполагается, что ему предшествуют события, порождаемые квантовыми эффектами инфлатонного поля. Это время меньше времени «эры Планка» — 10-43 с. Но это не смущает сторонников этой модели, которые проводят вычисления со временем 10-50 с;
2) t — приблизительно от 10-43 до 10-35 с — эпоха «Великого объединения» или объединения всех сил физического взаимодействия;
3) t — приблизительно от 10-35до 10-5 — быстрая часть инфляционной фазы,
когда диаметр Вселенной увеличился в 1050 раз. Речь идет о возникновении и
образовании электронно-кварковой среды;
4) t — приблизительно от 10-5 до 105 с происходит вначале удержание кварков в адронах, а затем образование ядер будущих атомов, из которых в дальнейшем образуется вещество.
Из этой модели следует, что через одну секунду от начала расширения Вселенной идет процесс возникновения вещества, разъединение его с фотонами электромагнитного взаимодействия и образования протосверхскоплений и протогалактик. Разогревание происходит в результате возникновения частиц и античастиц, взаимодействующих между собой. Этот процесс называется аннигиляцией (лат. nihil — ничто или превращение в ничто). Авторы модели считают, что аннигиляция асимметрична в сторону образования обыкновенных частиц, из которых состоит наша Вселенная. Таким образом, основная идея модели «Инфляционной Вселенной» — исключить из космологии понятие
«Большого взрыва» как особого, необычного, исключительного состояния в эволюции Вселенной. Однако в этой модели появляется не менее необычное состояние. Это состояние конфигурации инфлатонного поля.Возраст Вселенной в этих моделях оценивается в 10—15 млрд лет.
«Инфляционная модель» и модель «Большого взрыва» дают объяснение наблюдаемой неоднородности Вселенной (плотности сгущения вещества). В частности, считается, что при раздувании
1 М.: Маркетинг, 2000. С. 505.
Вселенной возникли космические неоднородности-текстуры как зародыши
агрегатов вещества, которые в дальнейшем разрослись до галактик и их скоплений. Об этом свидетельствует зафиксированное в 1992 г. отклонение температуры реликтового излучения от среднего его значения 2,7 К примерно на
0,00003 К. Обе модели говорят о горячей расширяющейся Вселенной, в среднем однородной и изотропной относительно реликтового излучения. В последнем случае имеется в виду факт практически одинакового значения реликтового излучения во всех частях наблюдаемой Вселенной по всем направлениям от наблюдателя. Основные идеи инфляционных моделей популярно изложены в журнале «Вокруг Света»1 (статья «Мир, рожденный из ничего»).
Существуют альтернативные моделям «Большого взрыва» и «Инфляционной
Вселенной»: модели «Стационарной Вселенной», «Холодной Вселенной» и
«Самосогласованной космологии».
Модель «Стационарной Вселенной».Эта модель была разработана в 1948 г. Она основывалась на принципе «космологического постоянства» Вселенной: не только во Вселенной не должно быть ни одного выделенного места, но и во времени не должен быть выделен ни один момент. Авторами этой модели являются Г. Бонди, Т. Голдом и Ф. Хойл, последний — широко известный автор популярных книг по проблемам космологии. В одной из своих работ он писал:
«Каждое облако, галактика, каждая звезда, каждый атом имели начало, но не Вселенная целиком, Вселенная есть нечто большее, чем ее части, хотя этот вывод может показаться неожиданным»2. Данная модель предполагает наличие во Вселенной внутреннего источника, резервуара энергии, который поддерживает плотность ее энергии-материи на «постоянном уровне, препятствующем сжатию Вселенной». Например, Ф. Хойл утверждал, что если бы в одном ведре пространства за каждые 10 млн лет возникал один атом, то плотность энергии, вещества и излучения во Вселенной в целом будет постоянной. Эта модель не объясняет, каким образом возникли атомы химических элементов, вещество и т.
д. Открытие реликтового, фонового излучения сильно подорвало теоретические основания этой модели.
1 2004. №2 (2761). С. 56.
2 Цит. по кн.: Гарднер М. Теория относительности для миллионов. М., 1965. С. 173.
Модель «Холодной Вселенной».Модель была предложена в шестидесятых
годах прошлого века советским астрофизиком Я. Зельдовичем. Сравнение
теоретических значений плотности и температуры излучения по модели
«Большого взрыва» с данными радиоастрономии позволило Я. Зельдовичу высказать гипотезу, согласно которой исходным физическим состоянием Вселенной был холодный протонно-электронный газ с примесью нейтрино: на каждый протон приходится один электрон и одно нейтрино. Обнаружение реликтового излучения, подтверждающего гипотезу об исходном горячем состоянии в эволюции Вселенной, привело Зельдовича к отказу от собственной модели «Холодной Вселенной». Однако идея вычисления соотношений между количеством разного типа частиц и распространенности химических элементов во Вселенной оказалась плодотворной. В частности, было установлено, что плотность энергии-материи во Вселенной совпадает с плотностью реликтового излучения.
Модель «Вселенная в атоме».Эта модель утверждает, что существует на самом деле не одна, а множество Вселенных. Модель «Вселенная в атоме» основывается на понятии замкнутого мира по А. Фридману. Замкнутый мир — область Вселенной, в которой силы притяжения между ее составляющими равны энергии их общей массы. В этом случае внешние размеры подобной Вселенной могут быть микроскопическими. С точки зрения внешнего наблюдателя это будет микроскопический объект, а с точки зрения наблюдателя внутри этой Вселенной все выглядит иначе: свои галактики, звезды и т. п. Эти объекты получили название фридмонов.Академик А. А. Марков высказал гипотезу о том, что фридмонов может быть неограниченное количество и они могут быть полностью незамкнутыми, т. е. у них есть вход в их мир и выход (связь) с другими мирами. Получается множество Вселенных, или, как назвал в одной из своих работ член- корреспондент АН СССР И. С. Шкловский, — Метавселенная.
Идея о множественности Вселенных высказана А. Гутом, одним из авторов инфляционной модели Вселенной. В раздувающейся Вселенной возможно образование «аневризмов» (термин из медицины, означает выпячивание стенок кровеносных сосудов) от материнской Вселенной. Согласно этому автору вполне является возможным создание Вселенной. Для этого нужно сжать 10 кг вещества
до размера меньшего, чем одна квадриллионная часть элементарной частицы.
3.3.4. Модель «Самосогласованной космологии» постнеклассической науки
Эта модель предложена Нобелевским лауреатом И. Пригожиным и его сотрудницей И. Стенгерс в работе «Время, хаос, квант. Крещению парадокса времени» (М., 2001). В этой модели сделана попытка уточнить смысл времени и необратимости на уровне космологии. Это довольно сложная модель в содержательном смысле. В ней главный акцент делается на объяснение процесса необратимости «рождения Вселенной».
Суть проблемы, о которой идет речь в данной модели, заключается в следующем. Если модели «Большого взрыва» и «Инфляционной Вселенной» верны, то возникает вопрос, будет ли Вселенная расширяться вечно. Если да, то это будет модель «Открытой Вселенной».Если нет, то Вселенная должна со временем сжиматься, и это будет модель «Закрытой Вселенной». Вэтой модели возникает вопрос, какой будет конечная стадия этого сжатия: подобная состоянию перед «Большим взрывом» или это сжатие будет скачком в новую стадию расширения? Если модель Вселенной является открытой, то расширение может быть с некоторой фиксированной ее плотностью. Далее Вселенная может расширяться по инерции с фиксированной средней плотностью. Но возможен сценарий, когда она расширяется ускоренно. Тогда вокруг нас будет все меньше и меньше галактик и звезд. Авторы модели «Самосогласованной космологии» называют модели «Большого взрыва» и «Инфляционной Вселенной» стандартными.Согласование между этими стандартными моделями и моделью, предлагаемой указанными выше авторами, основывается на допущении, что
процессу раздувания Вселенной предшествует более раннее физическое
состояние квантового вакуума с черными мини-дырами с массой порядка планковой массы (масса Планка — 10-5 г). Эти черные мини-дыры, как утверждают авторы модели «Самосогласованной космологии», не могут быть стабильно устойчивыми. Распад черных мини-дыр представляет исходное неустойчивое физическое состояние Вселенной, ведущее к образованию
«обычной» материи и излучения. Здесь используется предположение о том, что все черные дыры, а не только черные мини-дыры, при распадах испускают тепловое излучение. Это позволяет характеризировать черные дыры температурой и временем их существования. Величина температуры черной мини-дыры обратно пропор-
дистальна ее массе. Время существования черной дыры возрастает как куб ее
массы.
Согласно этой модели черная мини-дыра с планковой массой должна исчезать
за время порядка планковского времени (10-43с). Черные мини-дыры, о которых говорится в этой модели, обладают и энтропией: все в себя всасывают и выдают в квантовый вакуум (окружающую их среду) только тепловое излучение. Распад черных мини-дыр ведет к производству энтропии во Вселенной. В целом модель
«Самосогласованной космологии» стремится придать законам термодинамики (закон сохранения энергии и закон роста энтропии) космологический смысл. Распад черных мини-дыр сопровождается рождением частиц, поэтому в этой модели наряду с такими понятиями, как плотность, давление, температура, радиус Вселенной, вводится понятие плотности процесса рождения частиц при распадах черных мини-дыр.
Часто авторы этой модели обращаются к гипотезе «бесплатного обеда»,
появившейся в семидесятых годах прошлого века: какова «цена» затраты энергии
за возникновение Вселенной. Согласно некоторым представителям этой гипотезы Вселенная возникает из ничего (полная энергия-масса Вселенной равна нулю) в результате (спонтанной) флуктуации вакуума. Это «ничто» соответствует Вселенной с пространственно-временной кривизной, равной нулю. Правда, здесь возникает ряд вопросов принципиально теоретического характера (отличие, например, отрицательной энергии, связанной с выходом тела из гравитационного поля другого тела, и энергией, выраженной в формуле Е= тс2).
Модель «Самосогласованной космологии» делает следующие выводы:
— доинфляционное состояние Вселенной является неустойчивым состоянием квантового вакуума с черными мини-дырами, энергетическим порогом для которых является масса Планка (10-5 г);
— пространство-время (кривизна равна нулю, т. е., по Эйнштейну, сила гравитации, тяжести равна нулю) преобразуется из такого вакуума в материю за счет диссипации и производства энтропии.
В настоящее время (конец 2003 г.) на основании предварительного анализа данных, полученных с помощью микроволнового зонда, запущенного в 2001 г. на расстояние 1,5 млн км от Земли
(точка, где силы тяготения Солнца и Земли уравновешенны), высказываются
следующие предположения:
1. Постоянная Хаббла составляет 71 км/с · Мпс. Зонд фиксировал микроволновое, реликтовое излучение.
2. Возраст Вселенной — приблизительно 13,7 млрд лет.
3. Средняя величина реликтового излучения -2,735 К, и оно возникло, когда
Вселенной, было всего 380 тыс. лет.
4. «Темная материя, или энергия» содержит около 73% всей энергии
Вселенной.
5. Высказывается предположение о том, что «темная материя» представляет собой некую силу отталкивания. Эта сила через 22 млрд лет преодолеет силу тяготения, господствующую в «светящейся материи» Вселенной, и разорвет
атомы на составляющие их элементы (протоны и т. д.). Правда, ученые считают,
что эту проблему (уточнение параметров «темной энергии, или материи») нужно исследовать с помощью более совершенного зонда, чтобы получить надежные данные об инфляционной стадии в развитии Вселенной.
ВЫВОДЫ
1. Первыми релятивистскими моделями в космологии являются модели А. Фридмана,
которые привели к созданию модели «Космологического Большого взрыва».
2. Исследования Э. Хаббла галактик открыли явление «разбегания галактик». Оно стало рассматриваться как подтверждение релятивистских моделей о неустойчивости плотности энергии-материи во Вселенной, т. е. возможности ее сжатия и расширения.
3. Открытие реликтового (фонового) излучения существенно утвердило позиции модели «Большого взрыва» или «Великого космологического треска». Это излучение свидетельствует о существовании во Вселенной в далеком прошлом некоего
сверхгорячего и сверхплотного состояния в чрезвычайно малом объеме.
4. Модели «Инфляционной Вселенной» ввели особую стадию в эволюцию Вселенной, назвав ее инфляционной, которая ведет к существенному увеличению объема Вселенной за относительно короткое время. Расширение и разогревание идет из
однородной конфигурации инфлатонного поля без образования черных дыр.
5. Модель «Самосогласованной космологии» объясняет высокую температуру реликтового излучения существованием черных мини-дыр в квантовом вакууме, распад
которых ведет к необратимому процессу рождения час-
тиц с положительной и отрицательной энергией. Последующий этап превращения частиц с положительной и отрицательной энергией ведет к асимметрии в пользу частиц
с положительной энергией. В результате получается модель «Открытой Вселенной», в которой преобладают обычные частицы, а не их античастицы.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И СЕМИНАРОВ
1. Модель «Большого взрыва».
2. Астрономические исследования Э. Хаббла и их роль в развитии современной космологии.
3. Реликтовое, фоновое излучение.
4. Модель «Инфляционной Вселенной».
5. Модель «Самосогласованной космологии».