Начала современного естествознания. Концепции и принципы

Основной элемент Вселенной -- галактика. Основной элемент галактики -- звезда -- массивный плотный газовый (точнее, плазменный) очень горячий шар (с температурами внутри до миллиардов градусов), излучающий в окружающее пространство огромную энергию в основном в виде электромагнитного излучения. Во всех галактиках большая часть вещества заключена в звездах -- в крупнейших, так называемых эллиптических, галактиках на звезды приходится свыше 95 процентов массы. В спиральных галактиках, таких, как наша (точнее, Млечный путь является типичным представителем спиральных галактик с перемычкой, или пересеченных галактик -- класс SB), доля газа и пыли значительно больше 5%, но все же гораздо меньше, чем доля звезд.

6.3 Начало космологии, фридмановские космологические модели, разбегание галактик и расширение Вселенной

Изучение состава близких к нам галактик показало, что они, как и наша Галактика, состоят из таких же объектов -- звезд, звездных скоплений, туманностей. Это подтверждает вывод, что в «малых» масштабах физические законы, управляющие развитием звезд и звездных систем, в наблюдаемой части Вселенной одинаковы. К тому же, на каждом этапе своего развития, наука просто не может обойтись без определенных «рабочих» моделей (которые всегда подлежат уточнению и заменам), независимо от того, идет ли речь о Вселенной, квазарах или обычных звездах.

Итак, в начале прошлого века, после того как Эйнштейн создал теорию тяготения, родилась современная космология, первым автором которой безоговорочно признается наш великий соотечественник Александр Александрович Фридман (1888-1925), а дата отсчитывается от времени публикации первой статьи Фридмана «О кривизне пространства» в 1922 году. В статьях (1922-1924) гг. Фридманом была показано, что наблюдаемая Вселенная в принципе не может быть стационарной -- составляющая ее материя при бесконечном времени существования должна была либо разлететься, либо собраться в одном месте. Этот вывод был получен в науке так поздно только из-за глубокой подсознательной убежденности всех исследователей в «неизменности» существующего мира (как уже отмечалось, все великие ученые прошлого -- Аристотель, Ньютон, даже Эйнштейн, который сначала не признал работу Фридмана, верили в стационарность мира). В этом были убеждены и материалисты, отрицавшие акт творения, и верующие, считавшие, что мир был сотворен Богом, но такое убеждение не было основано на фактах.

Темп удаления галактик друг от друга, как показывает решение Фридмана, может меняться с течением времени (правда, заметить это на наших «земных» промежутках времени практически невозможно, заметное изменение скорости разбегания галактик происходит за миллиарды лет). Возможны несколько вариантов моделей расширения Вселенной, но пока представим три наиболее характерных варианта расширения Вселенной.

Первые две модели описывают неограниченное во времени расширение Вселенной, и разница между ними в названии кривых, которыми описываются законы этих расширений: первая -- гипербола, вторая -- парабола. Третья модель расширения соответствует циклоиде. Эти варианты эволюции Вселенной обусловлены соотношением между средней плотностью Вселенной 'р и некоторой критической плотностью р которая впервые была определена Фридманом. Если 'р < ркр, то расширение идет по закону, описываемому гиперболой, если 'р = ркр, получим параболу, и если 'р > ркр, то процесс расширения когда-то (через два -- три десятка миллиардов лет) сменится сжатием, это описывается циклоидой. Как замечаем, фундаментальное значение имеют две величины -- средняя плотность Вселенной 'р и некая критическая плотность ркр. Как показали многочисленные измерения внутри- и межгалактической плотности, средняя плотность 'р = 10-30 г/см3. Что касается критической плотности ркр, то мы к ней вернемся после освещения истории экспериментального открытия расширения Вселенной в 1929 году Эдвином Хабблом. Наиболее полно характерные космологические модели, которые в различное время предлагались для объяснения свойств нашей Вселенной, представлены ниже:

1. Пульсирующая модель. В этой модели в некоторый «нулевой» момент космологического времени масштабный фактор равен нулю, то есть Вселенная представляет собой некоторую сингулярную точку. С нулевого момента он начинает возрастать, достигает максимального значения и снова уменьшается до нуля. Так же изменяется и расстояние между галактиками во Вселенной, соответствующей этой модели.

2. Закрытая модель: масштабный фактор увеличивается от нуля до определенного максимального значения, достигаемого в бесконечно удаленном будущем.

3. Модель Лемэтра: масштабный фактор увеличивается от нуля неограниченно, однако на протяжении долгого времени он остается почти постоянным.

4. Модель Эйнштейна -- де Ситтера: начавшееся однажды расширение продолжается неограниченно (это расширение происходит с замедлением).

5. Замкнутая Вселенная, в которой возможны еще два других варианта эволюции Вселенной: а) «стационарный мир» Эйнштейна и б) модель Эддингтона-Леметра, масштабный фактор которой равен определенному конечному значению в бесконечно удаленном прошлом и неограниченно возрастает в будущем.

6. И, наконец, отметим еще так называемую модель де Ситтера: в данном случае масштабный фактор является экспоненциальной функцией времени. Эта модель «стационарной Вселенной», в которой, несмотря на расширение, плотность поддерживается постоянной за счет непрерывного «творения» вещества из особого «энергетического поля». Эта модель много лет развивалась английским астрофизиком Фредом Хойлом.

Теоретически, на основании уравнений теории Эйнштейна, можно построить около двух десятков моделей Вселенной, но какая же на самом деле из моделей реализуется, астрофизикам пока не удалось выяснить. Но история этого вопроса уже почти столетняя по времени. В 1912 г. американский астроном Весто Слайфер начал измерять лучевые скорости спиральных туманностей, руководствуясь следующими соображениями. Если эти туманности находятся за пределами Галактики, то они не принимают участия в ее вращении, а поэтому их лучевые скорости будут свидетельствовать о движении Солнца в Галактике. На протяжении нескольких лет Слайфером и тоже американским астрономом Эдвином Хабблом, проводившим независимые измерения, были получены спектры 41 объекта. Оказалось, что в 36 случаях линии в спектрах туманностей смещены в красную сторону.

Представлялось наиболее естественным (это была мысль Хаббла) объяснить этот сдвиг эффектом Доплера -- движением туманностей от наблюдателя. В самом деле, в данном случае отношение прироста длины волны к самой длине волны связано со скоростью движения туманности. Следовательно, туманности удаляются от наблюдателя и их скорости, измеряемые тысячами и десятками тысяч км/с, значительно превышают скорость Солнца вокруг центра Галактики, равную всего 250 км/с. Хотя этот факт наблюдают астрономы на нашей Земле, в нашей Солнечной системе, в нашей Галактике, но это вовсе не значит, что мы расположены в центре Вселенной -- от любой другой точки Вселенной галактики разбегаются точно так же. Разбегание -- результат общего расширения Вселенной. Убедиться в этом можно на весьма простом примере. Возьмем резиновую нить и завяжем на ней узлы. Растянем нить вдвое. В результате этого и расстояния между каждыми соединенными узлами также увеличится вдвое. При этом каждый из узлов является равноправным, и по отношению к нему скорость других узлов при растягивании нити была бы тем больше, чем дальше они находились бы друг от друга. Другой пример -- с раздувающимся резиновым шариком, на поверхность которого равномерно нанесены выделяющиеся на его фоне точки. При разрастании объема шарика скорость разбегания точек друг от друга будет тем больше, чем больше между ними расстояние. Кстати, на поверхности такого шарика, как модели Вселенной, невозможно найти и центр, его попросту нет. Аналогичным образом ведет себя и мир галактик. Разница лишь в том, что он трехмерный, тогда как нить или поверхность шарика имеет всего одно или два измерения.

Теперь можно снова вернуться к возможному сценарию дальнейшей судьбы нашей Вселенной, которая зависит от величины средней плотности вещества во Вселенной и которую оказалось возможным оценить после открытия Хабблом закона разбегания галактик. Им был установлен следующий закон, связывающий скорости и расстояния между галактиками: v = HR. В этом законе и -- скорость разбегания галактик, R -- расстояние между галактиками, коэффициент пропорциональности между ними Н принято называть постоянной Хаббла. Ее современное среднее значение Н = 65 км/с/Мпк. Численная величина постоянной Хаббла имеет принципиальное значение для определения критической плотности вещества и при указанной выше величине она оказывается равной Видим, что средняя плотность вещества во Вселенной численно меньше критической, так что, если бы не существовало никаких не обнаруженных форм материи во Вселенной, а о них мы сегодня говорим, тогда «наш сценарий» эволюции Вселенной определялся бы гиперболой, т. е. Вселенная расширялась бы неограниченно долго. Но сейчас следует воздержаться от таких категоричных заявлений.

Парадокс красного смещения. На протяжении нескольких десятилетий во второй половине XX века некоторые астрономы и физики стремились найти какое-то другое объяснение красному смещению. В частности, они усматривали в этом проявление каких-то еще неизвестных сегодня закономерностей. Так, отец антимира Поль Дирак предположил, например, что эффект красного смещения мог бы иметь место, если бы во Вселенной существовало вековое изменение абсолютной длительности единицы времени. Речь идет, конечно, не об изменении длительности привычной для нас секунды, связанной со скоростью вращения Земли вокруг своей оси. Имеется в виду изменение ритма всех процессов во Вселенной -- скоростей термоядерных реакции в звездах, радиоактивного распада и т. д. Красное смещение в спектрах галактик могло бы иметь место и при изменении со временем величины скорости света, а также при уменьшении энергии кванта в процессе его путешествия в межгалактическом пространстве. Но если энергия кванта в процессе этого движения не передается ничему, то ее уменьшение (увеличение длины волны) может иметь место лишь при нарушении закона сохранения энергии. Если же квант теряет часть своей энергии, передавая ее другим фотонам или частицам среды, то при этом акте направление его движения изменится. Поэтому изображения других галактик должны быть тогда размытыми (расплывчатыми), и тем более размытыми, чем дальше эта галактика находится. На самом же деле изображения как близких, так и далеких галактик достаточно четкие. Поэтому гипотеза «старения квантов» была отвергнута (вспомним, что, согласно Попперу, наука это исключение фальшивых гипотез). Упомянутые две другие возможности (изменение ритма времени или скорости света) вообще не могут быть проанализированы всерьез в рамках сегодняшней теоретической физики. Что есть или что такое время? Почему скорость света в вакууме является постоянной и максимальной из всех возможных? Существует ли какая-нибудь связь между гравитацией и электромагнитными свойствами вещества? Это все глобальные проблемы современности. Все они, очевидно, будут решены лишь в будущих, более совершенных теориях пространства, времени и взаимодействий.

Сегодня «разбегание» галактик принимается как реальный факт. На этой основе можно построить общую картину развития наблюдаемой Вселенной. Огромное большинство галактик светит настолько слабо, т. е. они так далеки, что никаких отдельных объектов в них различить нельзя. Но наблюдения показывают, что увеличение красного смещения галактик сопровождается уменьшением их яркости. Это является доказательством того, что в действительности происходит расширение наблюдаемой нами Вселенной. Но здесь речь идет, скорее, не о движении галактик в пространстве, а о расширении, творении самого пространства. Расстояния до галактик измеряются миллионами и миллиардами световых лет. Это значит, что мы видим их не такими, какими они являются сейчас, а какими они были миллионы и миллиарды лет назад. Углубляясь все дальше и дальше в пространство Вселенной, астрономы тем самым встречаются с все более и более молодыми объектами! Мы тем самым, по существу, видим прошлое вещества, прошлые эпохи Вселенной.

Парадоксы расширяющейся Вселенной. Парадоксальным является, прежде всего, само красное смещение, так как его космологическая природа не столь очевидна, какой она представляется в земных условиях. Выше указывались возможные причины объяснения этого интересного эффекта, но они обычно отвергаются на том основании, что их природа физически гипотетична, как и сам феномен взаимодействия космологического излучения с другими видами материи.

Так, по данным наблюдения квазаров, красное смещение, выражаемое в относительной величине, достигает аномально высоких значений (2,5-2,8), хотя, по сути, оно не могло бы быть больше 1. Это потому, что если эту аномалию объяснять только эффектом Доплера, то скорость квазаров превосходит скорость света на указанные величины. Ясно, что это вступает в противоречие с постулатами специальной теории относительности. Чтобы исключить его, часть красного смещения надо списать на гравитацию (а гравитация, как мы видели в п. 4.2, обеспечивает красное смещение тоже). Однако здесь не ясно, на какую из возможных гравитаций -- либо на локальную (т. е. гравитацию самого квазара), либо на вселенскую, встречающуюся на пути луча к нам, или на ту и другую вместе следует ориентироваться в этом вопросе. Безупречных теоретических подсказок здесь нет. А сами галактики, обнаруженные в глубинах Вселенной, движущиеся со скоростями около половины Скорости света и более, откуда они приобрели такую чудовищную кинетическую энергию, сопоставимую с энергией их массы покоя, рассчитываемую по эйнштейновской формуле Е = тс2?

Не столь физически прозрачен и феномен перехода всей материи в единственную точечную сингулярность, из которой якобы произошел «большой взрыв». Кроме того, английский физик и космолог Стивен Хокинг в 1974 г. показал возможность «испарения» черных дыр в результате туннельного просачивания (туннелирования) частиц во внешнее пространство через потенциальный барьер. Возникают противоречия при объяснении самого феномена расширения Вселенной, о котором мы уже знаем. Если расширение -- действительный физический процесс (т. е. наглядный, как бы нам хотелось), то оно происходит либо за счет «вторжения» в вакуум типа псевдоевклидова пространства Минковского, либо в пространство других космических систем Вселенной (мы-то свою наблюдаемую Вселенную называем Метагалактикой). Существование абсолютного вакуума (не физического вакуума, понятие о котором мы обсуждали ранее) нельзя допускать, ибо пространство есть атрибут (неотъемлемая принадлежность) материи и вне нее не существует. Остается допустить вторжение во внутренние пространства других систем, которые сами могут как сжиматься, так и расширяться, развиваясь по собственным законам.

Если же встать на точку зрения, что само пространство как бы создается в процессе расширения (процессе «разбухания», как иногда говорят и пишут), в том смысле, что с течением времени увеличивается расстояние между любыми точками и изменяется геометрия пространства, то мы опять приходим к противоречию. Именно все это должно было бы сопровождаться увеличением размеров всех материальных систем: элементарных частиц, атомов, планет, звезд, галактик, всех в равных пропорциях. Вот этого-то и не замечено пока экспериментально, слишком малы эффекты. Так что проблемы есть, не разрешены современной наукой и остаются как «подарок» будущим поколениям ученых.

6.4 Космогоническая гипотеза Леметра, гипотеза Гамова «горячей сингулярности», «большой взрыв» и ранние эпохи образования Вселенной

Как уже отмечалось, наша Метагалактика нестационарна, поскольку непрерывно изменяется, в прежние времена (если кому было наблюдать) она выглядела иначе, и не будет находиться в нынешнем виде вечно -- она имела начало и должна иметь конец своего, существования (таковы современные представления об эволюции Вселенной).

Около двадцати или десяти миллиардов лет назад (где-то в этом интервале времен) вещество, из которого сегодня состоят галактики, было сконцентрировано до очень больших плотностей в некоторой, так называемой, покоящейся сингулярной точке. В современную эпоху наблюдаемые скорости тогда образовавшихся галактик достигают и сотен, и двух сотен тысяч км/с, т. е. скорости их движения оказываются сравнимыми со скоростью света. Создается впечатление, что когда-то в те давние времена произошел гигантский по мощи взрыв этой сингулярной области (говорят об этом совершенно в условном смысле, а не в прямом толковании взрыва), который и явился началом развития Метагалактики (если угодно, Вселенной) к ее современному состоянию. Такой взгляд на начало мира оказался приемлемым многим ученым, гипотеза эта получила всеобщее признание и была названа гипотезой Большого взрыва (по англ. -- Big Bang). В варианте холодной сингулярности она принадлежит французскому космологу аббату Жоржу Лемэтру (1894-1966), ставшему впоследствии президентом Ватиканской академии наук, а в варианте горячей сингулярности -- великому русскому ученому Георгию Гамову (1904-1968).

Вопрос о том, в каком состоянии была сингулярность тогда, далеко не праздный. От физического состояния вещества существенно зависит возраст Вселенной. Кроме того, при высоких температурах (миллионах и миллардах градусов) могут протекать термоядерные реакции. Поэтому химический состав «горячей» Вселенной может быть существенно другим, чем «холодной». А от химического состава зависят размеры и светимость звезд, темпы их эволюции. На протяжении нескольких десятилетий обе модели (холодная и горячая) существовали в космологии равноправно. Каждая из них имела свои привлекательные стороны и свои недостатки, своих сторонников и своих критиков. Не хватало лишь подтверждения наблюдениями. Так вот, подтверждения такие последовали, и о них мы будем писать в следующем пункте.

Итак, по современным воззрениям, Вселенная возникла в результате стремительного расширения, если угодно, взрыва, сверхплотного горячего вещества, обладавшего сверхвысокой температурой. Это был не обычный взрыв, который начинается из определенного центра и затем захватывает другие области пространства. По образному выражению нобелевского лауреата, американского физика Стивена Вайнберга (соавтора теории электрослабого взаимодействия), взрыв произошел одновременно везде, «причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы». Другого пространства, кроме того, которое было первоначально занято исходным веществом, не существовало, т. е. тогда это была вся, именно вся Вселенная. И начальный Большой взрыв (Big Bang) был не расширением материи в окружающее пространство, а расширением самого пространства. Big Bang произошел 13-17 млрд. лет назад (по оценкам из закона Хаббла).

Проследим за динамикой развития Вселенной после взрыва. Чем дальше мы уходим в прошлое, тем больше температура, все ближе и ближе сингулярность -- загадка взрыва Вселенной. Современная наука позволяет в мысленном путешествии во времени подойти к сингулярности вплотную. Вернемся опять к использованию простейших математических формул, которые позволят с большей наглядностью проиллюстрировать это путешествие. Связь температуры Т и времени t, прошедшего от начала расширения такова:

где Т задается в градусах Кельвина, t -- в секундах. Начальная температура, по предположению Гамова, была порядка 1032 градусов Кельвина. Это так называемая планковская температура, составленная из планковских единиц длины, времени и массы. Начиная с этого момента (с нуля времени!), Вселенная начала расширяться, температура ее стала понижаться, а объем Вселенной начал расти. Опять же, через планковское время, которое оценивается величиной около 10-43 с, после рождения классического пространства-времени, во Вселенной наступила инфляционная эпоха. Она характеризуется предельно сильным отрицательным давлением (его иногда называют состоянием фальшивого вакуума), при котором меняются законы обычной гравитационной физики. Вещество становится не источником притяжения, а источником отталкивания. Во время этой эпохи объем Вселенной увеличивается на много-много порядков от первоначального объема, вплоть до ста порядков, т. е. практически до размеров почти современной Вселенной, в результате чего вся современная Вселенная оказывается в одной причинно-следственной области, уравнивается кинетическая энергия расширения и ее потенциальная энергия. Из-за действия сил отталкивания Вселенная «разгоняется» и приобретает большую кинетическую энергию, которую в дальнейшем, в последующие эпохи, мы наблюдаем в виде хаббловского расширения по инерции.

Через одну секунду после взрыва температура настолько понизилась, что была уже всего 10 млрд. градусов. При такой все еще огромной температуре происходят процессы рождения и аннигиляции (превращения в свет, в фотоны) элементарных частиц. Например, процессы рождения пар электрон-позитрон при столкновении фотонов и обратная реакция, аннигиляция пар электрон-позитрон с превращением в фотоны.

При еще более высокой температуре, следовательно, еще ближе к моменту «взрыва», возможны были рождение и аннигиляция более тяжелых частиц и античастиц, причем непрерывно происходило быстрое их взаимное превращение. В этом первоначальном и «кипящем бульоне» из элементарных частиц, частиц примерно было столько же, сколько фотонов. В настоящее время фотонов в миллиард раз (109) раз больше, чем частиц (протонов). Очевидно, объяснить такое соотношение между числом фотонов и числом частиц в прошлом и настоящем можно, если только предположить, что в «кипящем планковском бульоне», в прошлом, на каждый миллиард античастиц приходился миллиард плюс одна частица, т. е. существовала мизерная ассиметрия между частицами и античастицами. (Если бы ассиметрия была в другую сторону, то нынешняя Вселенная состояла бы из антивещества). Возникает множество вопросов: почему разница между количеством частиц и античастиц так мала? и т. д. Оставим в стороне пока эти вопросы и вернемся к ситуации, возникшей через одну секунду (!) после взрыва. В это время от всего разнообразия частиц остались только фотоны, электроны и позитроны, нейтрино и антинейтрино. Нейтрино и антинейтрино вырвались из равновесного состояния, из «кипящего бульона», примерно через 0,2 сек. после взрыва (в отличие от фотонов, оторвавшихся примерно через миллион лет).

Как уже, наверное, обратили внимание наши читатели, анализ «большого взрыва» свелся к обсуждению проблем, связанных с элементарными частицами. За последние годы в физике элементарных частиц произошли большие изменения. Сейчас логически последовательное описание Big Bang невозможно без элементарных частиц. Стало ясно, и это мы показали раньше, что такие, например, элементарные частицы, как протон и нейтрон, не являются «кирпичиками мироздания», а являются сложными системами, состоящими из более элементарных объектов -- кварков. Если условно мы подразделяем наш мир на три состояния по своим, в общем-то отличительным друг от друга, законами (микромир, макромир и мегамир), то в момент «большого взрыва» произошло слияние микро -- и мегамира. Такое состояние Вселенной в то ушедшее время получило название микрокосмоса.

Все тяжелые частицы, адроны, состоят из кварков. Соединение кварков осуществляется посредством элементарных переносчиков сильного взаимодействия -- глюонов. Но самое поразительное заключается в том, что на взаимодействие элементарных частиц, на сложные процессы, проходящие в «кипящем бульоне», оказывает влияние пустота -- физический вакуум. Этот особый вакуум (так считает современная наука) является сложным состоянием, необычной пустотой, от которого зависят свойства пространства-времени и материи. Физический вакуум -- зто сложнейшее состояние «кипящих» виртуальных частиц всевозможных сортов (см. пред. главу 5).

Следует также вспомнить о видах взаимодействия, известных нам. Таких видов взаимодействий, как уже указывалось, всего четыре: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Переносчиком электромагнитного взаимодействия являются фотоны -- кванты электромагнитного поля, не имеющие массы покоя и двигающиеся всегда только с одной скоростью -- со скоростью света. Слабое взаимодействие проявляется лишь на очень малых расстояниях -- порядка 10-16 см (радиус электромагнитного и гравитационного взаимодействия, по существу, бесконечен). Переносчиками слабого взаимодействия являются бозоны, которых имеется три сорта: W+, W", Z°. При высокой температуре Т > 1015К различие между слабым и электромагнитным взаимодействием пропадает, при этой температуре (можно пересчитать, в какой момент времени после взрыва это происходит) существует единое электрослабое взаимодействие. За разработку единой теории электромагнитного и слабого взаимодействий, т. е. электрослабого взаимодействия, С. Вайнберг, Ш. Глэшоу и А. Салам были в 1979 году удостоены Нобелевской премии.

Частицы, подверженные слабому взаимодействию, как указывалось ранее, называются лептонами. При температурах Г >> 1015 К, когда возникает единое электрослабое взаимодействие, существует симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействием, а поле, осуществляющее электрослабое взаимодействие, называется полем Хиггса.

Упомянутые выше кварки являются кирпичиками тяжелых частиц -- адронов, их существование убедительно экспериментально доказано. Но парадоксальным в данном случае является то, что кварки в свободном состоянии не обнаружены, они просто не могут существовать в свободном состоянии. У кварков есть характеристика, величина, аналогичная электрическому заряду у «обычных» элементарных частиц. Эта величина называется «цветом». Сильное взаимодействие еще иначе называют цветной силой. Так вот, при температурах, значительно более высоких, чем 1015 К (этой температуре соответствует энергия 102 Гэв, Гэв -- гигаэлектронвольт, гига означает 109), возможно объединение электрослабого и сильного взаимодействия. Это объединение, носящее название Великого, наступает при энергиях 1014 Гэв. Для сравнения можно напомнить, что самые мощные в мире ускорители элементарных частиц разгоняют элементарные частицы до порядка 102 Гэв, таким образом, в обозримом будущем взаимодействие Великого объединения в лабораторных условиях наблюдать невозможно. Такие состояния может создать только сама Природа, в частности, вблизи «большого взрыва» такие состояния возможны. Не исключена возможность такого состояния и в локальных объектах Вселенной, например, в «черных дырах». Это состояние может возникнуть, например, со звездой при гравитационном коллапсе.

Почему мы здесь об этом говорим и пишем? Да потому, что правильность теоретических представлений о взаимодействии Великого объединения можно проверить по исследованиям и анализу процессов в сегодняшней Вселенной, ведь в сегодняшней Вселенной должны существовать следы тех грандиозных событий, которые происходили вблизи «большого взрыва». Кстати, если подсчитать момент времени t, соответствующий температуре Т, когда энергия 1014 Гэв (тогда Т=1027 К), то получится t=10-24с.

На наших глазах происходит осуществление научной мечты Эйнштейна -- мечты об объединении всех сил природы. Итак, при температурах Т=1027 К происходит объединение трех сил: электромагнитной, слабой и сильной. Остается в стороне только одна сила -- гравитационная. Казалось бы, осталось сделать только один шаг, но этот последний шаг до сих пор не удается сделать пока никому.

Напомним, что специальная теория относительности объединила пространство и время. Общая теория относительности, являющаяся современной теорией гравитации, исходит из того, что гравитация -- это проявление искривления четырехмерного пространства - времени. Массивные тела искривляют пространство - время, и эти тела движутся «свободно» в искривленном пространстве-времени по геодезическим линиям. Эйнштейн по существу показал следующее: природа гравитационного поля по существу геометрическая -- это кривизна пространства - времени. Эйнштейн был убежден, что и электромагнитное поле должно иметь геометрическую природу. До самой смерти (он умер в 1955 году) Эйнштейн работал над теорией, объединяющей гравитацию и электромагнетизм. Сейчас, когда мы знаем о наличии еще слабого и сильного взаимодействия, мы понимаем тщетность усилий Эйнштейна.

Теперь мы снова обращаемся к идее объединения всех сил с гравитацией. Оценка энергии, при которой должно произойти объединение всех сил природы, равна 1019Гэв, что соответствует температуре Т=1032 К, т. е. начальной температуре в сингулярности. В результате этого суперобъединения нет отдельных четырех взаимодействий, есть только одно универсальное супервзаимодействие. При разработке теорий, в которых существует единое универсальное взаимодействие, ученые с неизбежностью приходят к рассмотрению абстрактных пространств с большим, чем четыре, числом измерений. Есть варианты теорий, в которых рассматриваются 10, 11 и даже 26 измерений вместо обычных четырех. Почему же мы на практике не обнаруживаем этих дополнительных измерений? Как утверждают ученые, все дополнительные измерения компактно «сворачиваются» на расстояниях порядка 10-23см -- это так называемая планковская длина волны. На этих расстояниях необходимо учитывать квантовые эффекты - здесь уже не «работает» классическая общая теория относительности. Квантовой же теории гравитации в признанном всеми варианте пока еще не существует.

Вернемся к нашему путешествию во времени к точке «большого взрыва». Мы говорили о том, что в нашей Вселенной должны сохраниться «следы» тех процессов, которые протекали вблизи сингулярного состояния. К таким «следам» относятся самые фундаментальные свойства нашего мира, а именно, тот факт, что пространство имеет три измерения, а время -- одно измерение, тоже обусловлено теми, далекими для нас, процессами. Тот факт, что во Вселенной есть вещество, также обусловлен теми процессами. Вообще Вселенная вблизи «большого взрыва» напоминает суперген (если использовать биологическую терминологию), в котором заложена вся информация о будущем Вселенной. Недаром католической церкви понравился Big Bang.

Однако продолжим анализ начала и последующих моментов после взрыва. Прошло три-пять минут после начала расширения, и температура во Вселенной упала ниже одного миллиарда градусов. При этой температуре возможно соединение протона и нейтрона в ядро дейтерия. В результате реакций синтеза при температуре ниже миллиарда градусов начинают возникать ядра гелия. На этом ядерные реакции в ранней Вселенной прекращаются. Расчеты показывают, что в первичном веществе должно образоваться около 25% гелия по массе, а остальное вещество (75%) -- это ядра атомов водорода (протоны). Наблюдения показывают, что первые звезды во Вселенной образовались из вещества, химический состав которого соответствует предсказаниям теории горячей Вселенной. Все другие химические элементы образовались при дальнейшей эволюции Вселенной главным образом в недрах звезд, а за образование тяжелых элементов ответственны в первую очередь процессы в сверхновых звездах. (Таким образом, атомы, которые есть в нашем организме, когда-то были рождены в недрах какой-то сверхновой звезды!).

После рекомбинации атомов вещество, заполняющее Вселенную, представляло собой газ, который вследствие гравитационной неустойчивости стал собираться в сгущения. Результаты этого процесса мы видим в виде скоплений галактик, галактик и звезд. Структура Вселенной весьма непроста, и изучение механизма ее образования -- это одна из самых интересных задач настоящего времени. Как ни странно, она далека от решения -- мы более ясно представляем себе, что происходило в первые секунды после «большого взрыва», чем в период от миллиона лет до нашего времени.

Есть много загадок в космологии, которые человечество еще не разгадало. Например, почему наша Вселенная является однородной? (Конечно, в больших масштабах). Почему средняя плотность вещества во Вселенной очень близка к критической плотности? И самая главная загадка: что могло быть причиной начала расширения?

Русские физики А.Д. Линде и А.А. Старобинский показали, что состояние с огромным отрицательным давлением, как у вакуума, во Вселенной могло возникнуть в результате квантовых эффектов в гравитационном поле. Это огромное отрицательное давление могло возникнуть при температуре «кипящего бульона», равной Т=1032 К, т. е. при этой температуре происходит суперобразование (взаимодействие Великого объединения и гравитационное взаимодействие сливаются в одно взаимодействие). Соответствующий момент времени tn=3 х 10-44с, плотность материи в этот момент r=1094г/см3. Возможно, что возникновение состояния с огромным отрицательным давлением в этот момент и послужило первотолчком к расширению Вселенной.

Сейчас ясно одно: чем ближе к «началу», тем более экзотичней становятся законы природы, тем больше возникает вопросов. В заключение приведем таблицу эпох расширения Вселенной с указанием только ключевых процессов.

6.5 Реликтовое излучение Гамова

В 1965 г. американские радиоинженеры А. Пензиас и Р. Вилсон, испытывая новый радиотелескоп с рупорной антенной, неожиданно зарегистрировали космическое излучение, интенсивность которого не зависела от направления и которое нельзя было приписать известным дискретным радиоисточникам -- радиогалактикам и квазарам. После проведения соответствующих измерений и вычислений, был сделан вывод: радиотелескоп регистрирует космическое излучение, распределение интенсивности по длинам волн которого соответствует тепловому излучению с абсолютной температурой Т = 2,7 К. (В 1978 году Пензиас и Вильсон за открытие «реликтового» излучения получили Нобелевскую премию). Так было доказано, что все межгалактическое пространство заполнено квантами низкой частоты. Вспомним, что в процессе расширения Вселенной энергия каждого кванта уменьшается. Из этого следует, что на раннем этапе расширения частота этих квантов могла быть сколько угодно большой. Отсюда вывод: в далеком прошлом Вселенная была горячей. Это открытие позволило сделать выбор между двумя гипотезами происхождения Вселенной в пользу «горячей», высказанной Г. Гамовым.

6.6 Космологический Горизонт и крупномасштабная (ячеистая) структура Вселенной

Итак, два важнейших наблюдательных факта, лежащих в фундаменте современной космологии, мы уже отметили - фридмано-хаббловское расширение Вселенной и гамовское реликтовое излучение. Их сопоставление ведет к логическому выводу о существовании некоего Космологического Горизонта, «заглянуть» за который и получить какую-то информацию об объектах, находящихся далее, и о структурах, превосходящих по размеру расстояние до Космологического Горизонта, человечеству не дано (по крайней мере, в современную технологическую эпоху).

Чтобы быть совсем точным, надо сказать, что самый крупный объект во Вселенной - Метагалактика, за пределами которой нам мир не виден. Крупномасштабная структура Метагалактики выявлена для шкалы расстояний от нескольких мегапарсек до нескольких сотен мегапарсек. С. Шандарин, Р. Киршнер и др., которые в 1981-82 гг. открыли крупномасштабную структуру, наблюдали далекие галактики в телескоп на трех полях галактик, отстоящих друг от друга на угловые расстояния в 5 градусов. В каждом из полей они сосчитали галактики, измерили их красные смещения и построили гистограмму (графическую столбчатую диаграмму), в плоскости которой отложили то, что считали и измеряли: число галактик N -- красное смещение z. На гистограмме выявились два пика, разделенные почти пустым пространством. Их интерпретация была предельно проста: мы видим два блина крупномасштабной структуры Вселенной, а между ними пустое поле.

Дальнейшие исследования показали, что самые крупные пространственные неоднородности в распределении галактик имеют форму волокон, или филаментов (англ. filament -- нить, волокно), которые образуют стенки ячеек -- войдов. Внутри каждого войда галактик нет, они сосредоточены, в волокнах, образующих стенки войда (так можно себе представить трехмерную паучью паутину). Размеры войдов около 100 Мпк, толщина волокон около 10 Мпк. Эта крупномасштабная ячеистая структура Метагалактики, как принято считать, не образует более крупных структур, поэтому в данных мегамасштабах Метагалактика однородна и изотропна. Конечно, абсолютная категоричность здесь неуместна. Планируется построить полное трехмерное распределение галактик в Метагалактике на глубину, превышающую сотню мегапарсек.

Это мы говорили о структуре, а теперь о механизмах образования этих структур. После «большого взрыва» образовавшееся вещество и электромагнитное поле были рассеяны и представляли собой газово-пылевое облако и электромагнитный фон. В результате взаимопритяжения частиц пыли и газа (главным образом водорода) образовались первые поколения звезд. После того как возникли первые звезды, оставшийся газ, ввиду наличия у него внутреннего момента движения, собрался в тонкий диск (блин), и в этом диске сформировалось из газа второе поколение звезд. Наиболее массивные звезды быстро эволюционировали с образованием тяжелых металлов, которые выбрасывались в межзвездный газ. Некоторые из тяжелых металлов конденсировались в крошечные крупинки -- межзвездную пыль.

Когда в центральной плоскости галактики было сформировано достаточное количество звезд, неустойчивость движения заставила их временно объединиться в скопления, из которых были сформированы спиральные рукава. Рукава представляют собой протяжные образования, которые вращаются вокруг центра галактики. Вещество, из которого они состоят, испытывает изменения. Некоторые звезды могут переходить из одного рукава в другой. Подобно звездам, межзвёздный газ и пыль также находятся в рукавах. В межзвездном газе в результате вспышек сверхновых звезд возникает разница в давлении. Газ оттекает из области высокого давления в область низкого давления, образуются облака неионизированного газа высокой плотности. Силы тяготения стремятся сжать такое облако в более компактное образование. Однако сжатию препятствует внутреннее давление, которое стремится заставить облако расшириться. Обычно внутреннее давление больше гравитационного. Но иногда внешнее давление внезапно повышается из-за происходящих неподалеку бурных событий: например, вспышка сверхновой звезды, образование массивной звезды или крупномасштабная перестройка межзвездного магнитного поля. Облако может сжаться до плотности гораздо больше типичной. Тяготение может преодолеть внутреннее давление, вследствие чего облако начинает катастрофически сжиматься, и образуются звезды. По мере сжатия межзвездные пылинки защищают внутренние области облака от нагрева излучением звезд, находящихся снаружи. Температура облака падает, а с ним внутреннее давление в облаке. В результате облако распадается на части, а те, в свою очередь, на еще меньшие образования. В звездах в результате сжатия водород превращается в гелий. Поскольку в центре давление выше, то и гелий образуется в центре, образуется гелиевое ядро.

Ядро еще больше сжимается и разогревается. В слоях, прилегающих к ядру, из-за огромной температуры также начинает образовываться гелий. Когда температура внутри звезды достигает 1,5 X 107К, гелий превращается в углерод, с последующим образованием все более тяжелых химических элементов. В результате образуются красные звезды, сверхгиганты. Заключительный этап жизни звезды зависит от ее массы. При малой массе внешние слои постепенно расширяются и, в конце концов, покидают ядро звезды; на месте гиганта остается горячий маленький карлик с белым свечением, который затем постепенно остывает и становится потухшей звездой. Если масса звезды примерно вдвое превышает массу Солнца, то такие звезды на последнем этапе эволюции теряют устойчивость и могут взорваться, как сверхновые, обогащая межзвездную среду тяжелыми химическими элементами, а затем сжаться, превратившись в нейтронные звезды с диаметром в несколько километров.

Внутри звезд в ходе термоядерных реакций образуется до 30 химических элементов, а во время взрыва и все остальные известные на Земле химические элементы.

Обогащенная тяжелыми элементами межзвездная среда образует звезды нового поколения. Возраст звезд поэтому можно определить методом спектрального анализа. Есть звезды-сверхгиганты, намного превышающие массу Солнца. Они либо превращаются в нейтронную звезду, либо в процессе неограниченного сжатия превращаются в «черную дыру», т. е. в объект, обладающий гигантским по своей величине полем тяготения, не выпускающий за свои пределы никакое излучение. Их можно обнаружить косвенно, по их гравитационному воздействию на окружающие тела. Межзвездный газ или газ соседней звезды, притягиваясь и падая на «черную дыру» (этот процесс называется аккрецией), образует вокруг нее шлейф. Напрашивается вывод: звезды и галактики подчиняются всеобщим законам диалектики: рождаются, живут и умирают. И процесс этот продолжается до наших дней.

Резюме

Решение уравнений ОТО (теории тяготения Эйнштейна), осуществленное Александром Фридманом, привело к открытию фундаментального свойства Вселенной -- ее нестационарности.

Экспериментальное доказательство нестационарности Вселенной в виде ее расширения появилось в 1929 году с открытием американским астрономом Э. Хабблом эффекта красного смещения линий в спектре галактических атомов водорода, интерпретированного как знаменитый закон Хаббла -- закон разбегания галактик. Оценка величины постоянной Хаббла позволяет оценить возраст Вселенной (Метагалактики) в 13-17 млрд. лет.

С открытием факта расширения Вселенной возникла проблема «начала» Вселенной. Данная проблема разрешена на сегодняшний день в виде гипотезы Лемэтра о «большом взрыве» и гипотезы Гамова о начальной горячей сингулярности. Проявлением Большого взрыва является предсказанное Гамовым и экспериментально обнаруженное реликтовое излучение. Современная наблюдательная астрономия практически достигла Космологического Горизонта, за которым Вселенная не видна.

7. Естествознание о Земле и планетах Солнечной системы