Вселенная

ПЛАН 1. Происхождение Вселенной 2. Модель расширяющейся Вселенной 3. Эволюция и строение галактик 4. Астрономия и космонавтика Происхождение Вселенной Во все времена люди хотели знать, откуда и каким образом произо¬шел мир. Когда в культуре господствовали мифологические пред¬ставления, происхождение мира объяснялось, как, скажем, в «Ве¬дах» распадом первочеловека Пуруши. То, что это была общая ми¬фологическая схема, подтверждается и русскими апокрифами, например, «Голубиной книгой». Победа христианства утвердила представления о сотворении Богом мира из ничего.

С появлением науки в ее современном понимании на смену мифо¬логическим и религиозным приходят научные представления о проис¬хождении Вселенной. Следует разделять три близких термина: бытие, универсум и Вселенная. Первый является философским и обозначает все существующее, бытующее. Второй употребляется и в философии, и в науке, не имея специфической философской нагрузки (в плане проти¬вопоставления бытия и сознания), и обозначает все как таковое.

Значение термина Вселенная более узкое и приобрело специ¬фически научное звучание. Вселенная — место вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению. Постепенное сужение науч¬ного значения термина Вселенная вполне понятно, так как естество¬знание, в отличие от философии, имеет дело только с тем, что эмпи¬рически проверяемо современными научными методами. Вселенную в целом изучает наука, называемая космологией, т. е. наукой о космосе.

Слово это тоже не случайно. Хотя сейчас кос¬мосом называют все находящееся за пределами атмосферы Земли, не так было в Древней Греции. Космос тогда принимался как «поря¬док», «гармония», в противоположность «хаосу» — «беспорядку». Таким образом, космология, в основе своей, как и подобает науке, открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск зако¬нов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.

Это изучение зиждется на нескольких предпосылках. Во-пер¬вых, формулируемые физикой универсальные законы функциони¬рования мира считаются действующими во всей Вселенной. Во-вторых, производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространяемыми на всю Вселенную. И, в-третьих, истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, т. е. человека (так называе¬мый антропный принцип). Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной.

Почему моделями? Дело в том, что одним из ос¬новных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом. Только если можно провести бесконечное, в принципе, количество экспери¬ментов и все они приводят к одному результату, на основе этих экс¬периментов делают заключение о наличии закона, которому подчи¬няется функционирование данного объекта.

Лишь в этом случае ре¬зультат считается вполне достоверным с научной точки зрения. К Вселенной это методологическое правило остается непри¬менимым. Наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Это противоречие, которое требует считать все заключения о происхождении и развитии Вселенной не законами, а лишь мо¬делями, т. е. возможными вариантами объяснения. Строго говоря, все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями, но модели Вселенной как бы в большей степени модели, чем многие иные научные утверждения.

Модель расширяющейся Вселенной Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивист¬ской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 го¬ду. В основе этой модели лежат два предположения: 1) свойства Все¬ленной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направления (изотропность); 2) наилучшим известным описанием гравитацион¬ного поля являются уравнения Эйнштейна.

Из этого следует так на¬зываемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, — ре¬лятивистская. Важным пунктом данной модели является ее нестационар¬ность. Это определяется двумя постулатами теории относительнос¬ти: 1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерцион¬ных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с ка¬кими скоростями, равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; 2) экспериментально подтверж¬денным постоянством скорости света.

Из принятия теории относительности вытекало в качестве следствия (первым это заметил петроградский физик и математик Александр Александрович Фридман в 1922 году), что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расши¬ряться, или сжиматься.

На этот вывод не было обращено внимания вплоть до открытия американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения». Красное смещение — это понижение частот электромагнит¬ного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, восприни¬маемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соот¬ветственно увеличивается.

При излучении происходит «покрасне¬ние», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных крас¬ных волн. Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики — видимой части Вселенной. Красное смещение надежно подтверждает теоретический вы¬вод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными разме¬рами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении по мень¬шей мере нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна прост¬ранства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.

Составной частью модели расширяющейся Вселенной явля¬ется представление о Большом Взрыве, происшедшем где-то при¬мерно 12 —18 млрд. лет назад. «Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенно¬го центра и затем распространяется, захватывая все больше и боль¬ше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы» (Вейнберг С. Первые три минуты.

Современный взгляд на происхождение Все¬ленной М 1981 С. 30). Начальное состояние Вселенной (так называемая сингуляр¬ная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 году реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной.

Возникает интересный вопрос: из чего же образовалась Все¬ленная? Чем было то, из чего она возникла. В Библии утверждается, что Бог создал все из ничего. Зная, что в классической науке сформу¬лированы законы сохранения материи и энергии, религиозные фи¬лософы спорили о том, что значит библейское «ничего», и некоторые в угоду науке полагали, что под ничем имеется в виду первоначаль¬ный материальный хаос, упорядоченный Богом. Как это ни удивительно, современная наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что все могло создаться из ничего. «Ни¬чего» в научной терминологии называется вакуумом.

Вакуум, кото¬рый физика XIX века считала пустотой, по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях «рождать» вещественные частицы.

Современная квантовая механика допускает (это не противо¬речит теории), что вакуум может приходить в «возбужденное состо¬яние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) — вещество. Рождение Вселенной «из ничего» означает с современной на¬учной точки зрения ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация.

Если число фотонов равно нулю, то напряженность поля не имеет опреде¬ленного значения (по «принципу неопределенности» Гейзенберга): поле постоянно испытывает флуктуации, хотя среднее (наблюдае¬мое) значение напряженности равно нулю. Флуктуация представляет собой появление виртуальных час¬тиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям, вакуум приобретает особые свойства, про¬являющиеся в наблюдаемых эффектах.

Итак, Вселенная могла образоваться из «ничего», т. е. из «воз¬бужденного вакуума». Такая гипотеза, конечно, не является решаю¬щим подтверждением существования Бога. Ведь все это могло про¬изойти в соответствии с законами физики естественным путем без вмешательства извне каких-либо идеальных сущностей. И в этом случае научные гипотезы не подтверждают и не опровергают рели¬гиозные догмы, которые лежат по ту сторону эмпирически под¬тверждаемого и опровергаемого естествознания.

На этом удивительное в современной физике не кончается. Отвечая на просьбу журналиста изложить суть теории относитель¬ности в одной фразе, Эйнштейн сказал: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время со¬хранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время». Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.

Отметим, что теория относительности соответствует двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства-времени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограни¬ченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна поло¬жительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относи¬тельности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной.

Досужий ум неизбежно задается вопросами: что же было тог¬да, когда не было ничего, и что находится за пределами расшире¬ния. Первый вопрос, очевидно, противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Астроном может сказать, что как ученый он не вправе отвечать на такие вопросы. Но поскольку они все же возникают, формулируются и возможные обоснования ответов, которые являются не столько научными, сколько натур¬философскими.

Так, проводится различие между терминами «бесконечный» и «безграничный». Примером бесконечности, которая не безгранична, служит поверхность Земли: мы можем идти по ней бесконечно долго, но тем не менее она ограничена атмосферой сверху и земной корой снизу. Вселенная также может быть бесконечной, но ограниченной. С другой стороны, известна точка зрения, в соответствии с которой в материальном мире не может быть ничего бесконечного, потому что он развивается в виде конечных систем с петлями обратной связи, которыми эти системы создаются в процессе преобразования среды.

Но оставим эти соображения области натурфилософии, по¬тому что в естествознании в конечном счете критерием истины яв¬ляются не абстрактные соображения, а эмпирическая проверка гипотез. Что же было после Большого Взрыва? Образовался сгусток плазмы — состояния, в котором находятся элементарные частицы — нечто среднее между твердым и жидким состоянием, который и на¬чал расширяться все больше и больше под действием взрывной вол¬ны. Через 0,01 сек после начала Большого Взрыва во Вселенной по¬явилась смесь легких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия). Как образова¬лись все остальные химические элементы?

Эволюция и строение галактик

А зачем нужны галактики? Оказывается и галактики нужны, и Солнце не то... Она состоит из ядра и нескольких спиральных ветвей. На расстоянии около 30 тыс. световых лет от центра галак¬тики расположено Солнце. Ближайшая к наше... А в 1963 году были открыты квазары (квазизвездные радиоис¬точники) — с...

Список литературы 1. Эйнштейн А Инфельд Л. Эволюция физики.

М 1965. 2. Гейзенберг В. Физика и философия.

Часть и целое. М 1989. 3. Краткий миг торжества. М 1989.