Теорія "інфляційного Всесвіту"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат на тему

Теорія «інфляційного Всесвіту»

всесвіт речовина вакуум роздування

У принципі, мабуть, можна побудувати скільки завгодно різних «сценаріїв» еволюції Всесвіту. Але претендувати на серйозне визнання можуть лише ті з них, які здатні встановити причинний зв'язок між минулим і теперішнім.

Як відомо, у XX сторіччі було розроблено теорію гарячого Всесвіту, що розширюється, згідно з якою формування його сучасної структури було наслідком розширення початкової надщільної і надгарячої плазми. Однак при розробці моделей різних стадій розширення вчені зіткнулися а цілою низкою труднощів і загадок. Деякі властивості сучасного Всесвіту явно суперечили теоретичним припущенням про попередні фази його еволюції.

Про які ж властивості світобудови, що не вкладаються в сценарій гарячого розширюваного Всесвіту, йде мова? Насамперед про однорідність і ізотропію. У сучасному Всесвіті властивості будь-яких його досить великих ділянок приблизно однакові, а всі просторові напрями рівноправні. Проте в межах теорії Всесвіту, що розширюється, ця обставина виявляється вкрай загадковою. Насправді, у світі, в якому ми живемо, жодні фізичні взаємодії не можуть поширюватися з швидкістю, більшою за швидкість світла. З цього, між іншим, випливає дуже важливий висновок: безпосередньо спостережувана нами ділянка Всесвіту завжди скінченна, в ній існує «обрій», поза який ми неспроможні зазирнути. Об'єкти, розташовані за цим «обрієм», перебувають від нас на таких величезних відстанях, що електромагнітні хвилі не встигли подолати їх за той час, впродовж якого наш Всесвіт існує.

Мало того, у Всесвіті є такі точки, які перебувають одна від одної на відстанях, що перевищують віддаленість оптичного «обрію». Між ними не може бути жодної причинної залежності. Образно кажучи, одна з подібних точок не може «знати», що відбувається в іншій. Неважко підрахувати, що до таких «незалежних» точок можна віднести, наприклад, точки, розташовані на межах спостережуваної частини Всесвіту, які віддалені одна від одної на кутову відстань, більшу за 30°.

Водночас спостереження показують, що матерія, що міститься біля меж спостережуваного Всесвіту, скрізь має приблизно однакові властивості. Як таке могло статися, коли у Всесвіті, що рівномірно розширюється, немає і не може бути жодного механізму, здатного вирівнювати неоднорідності на відстанях, які перевищують відстань оптичного «обрію»? Виникає і таке запитання: як погодити однорідність Всесвіту у великих масштабах з наявністю в ньому численної кількості «згущень» -- галактик? І як з'явилися ті первинні неоднорідності, що з них ці зоряні острови утворилися?

Ще одна загадка пов'язана з так званою критичною густиною речовини, значення якої (3 * 10~29 г/см3) випливає з рівняння загальної теорії відносності. Якщо середня густина більша за критичну, то розширення Всесвіту з часом повинне змінитися стисканням. У тому ж разі, коли середня густина менша від критичної або дорівнює їй, розширення Всесвіту триватиме необмежено. При цьому в останньому випадку простір Всесвіту не викривлений, і геометрія такого світу близька до евклідової геометрії на площині. Розуміти це слід не так, що чотиривимірний «простір -- час» теорії відносності е плоским, а що певні його перетини площинами мають евклідову геометрію.

Фактична середня густина речовини у нашому Всесвіті (якщо не враховувати можливості існування маси спокою у нейтрино) є дуже близькою до критичного значення. Подібний збіг уявляється досить дивним.

І ще: чому простір, у якому ми живемо, має три виміри -- не більше і не менше? Нині розробляються різні теорії, згідно з якими ми насправді живемо в просторі із значно більшою кількістю вимірів. Однак у всіх напрямах, крім трьох взаємно перпендикулярних -- X, У і Z, наш простір «згорнуто», «скомпактифіко'вано». В зв'язку з цим наш простір уявляється нам тривимірним, а ми можемо переміщатися в ньому тільки у трьох напрямах. Але питання про те, чому простір «згорнувся» саме таким, а не якимось іншим чином, залишається без відповіді.

Є й інші питання, наприклад: що було до початку розширення, до початкового моменту ?=0? Іншими словами: з чого наш Всесвіт утворився?

Спроби знайти відповіді на всі ці питання і встановити причинний зв'язок між гаданим початковим станом Всесвіту і його сучасними властивостями шляхом формально-логічних висновків із класичного «сценарію» гарячого Всесвіту, що розширюється, до успіху не привели.

Чи не означає це, що такий «сценарій» повинен бути забракований? Однак не слід забувати про те, що зв'язок минулого і майбутнього в реальному світі має діалектичний характер. Це означає, що еволюція матерії зовсім не обов'язково повинна проходити плавно і поступово -- у процесі розвитку будь-якої матеріальної системи можуть відбуватися глибокі якісні стрибки. Чи не було такого «стрибка» в історії нашого Всесвіту?

Останніми роками ряд фізиків-теоретиків зайнялися розробкою досить незвичайної теорії: мета її полягає в тому, щоб з'ясувати фізичну природу того «стрибка», про який йде мова. В основу цієї теорії покладене припущення про те, що Всесвіт виник внаслідок квантової флуктуації вакууму.

Вакуум -- прихована форма існування матерії, здатна за певних умов породжувати матеріальні частинки без порушення законів збереження. Подібні умови можуть складатися як під впливом зовнішніх сил, так і спонтанно, довільно. Завдяки одному з таких спонтанних «сплесків» і утворився початковий об'єм Всесвіту розміром не більше 1033 см3, що містить не більше 10~5 г речовини.

Отже, на дуже ранній стадії своєї еволюції Всесвіт міг перебувати у вакуумоподібному стані, що мав величезну густину енергії. В такій ситуації, як це випливає з рівнянь Ейнштейна, Всесвіт повинен був через 10~33 с після початку розширення пережити стадію надзвичайно швидкого експоненціального роздування за законом ех, де х=Н. Величина Я --так звана стала Хаббла -- характеризує швидкість розширення залежно від відстані. При цьому треба враховувати, що Н змінюється з часом. У нашу епоху ця стала на десятки порядків нижча, ніж була в період експоненціального розширення.

Розширення за законом е* відбувається подібно до того, як у сучасних капіталістичних країнах зростають ціни відповідно до швидкості інфляції. Тому іноді сценарій Всесвіту, що «роздувається» чи «розпухає», називають сценарієм «інфляційного Всесвіту».

Стадія роздування тривала протягом 10~30 с, і за цей час першопочатковий об'єм Всесвіту зріс приблизно в 1050 разів.

Фізична сутність описуваних подій така. Згідно з існуючими теоретичними уявленнями вакуум має гравітаційні властивості. Однак ця «гравітація» породжує не притягання, а відштовхування, яке на відміну од звичайної гравітації зростає із збільшенням відстані пропорційно її першому степеню. У сучасному Всесвіті гравітація вакууму або зовсім відсутня, або е надзвичайно малою. Але у початковий період розширення при колосальній температурі вона повинна була сягати величезних значень. Такий стан дістав назву «несправжнього вакууму».

Спочатку гравітація вакууму була нижчою, ніж гравітація звичайної речовини. Проте у процесі розширення настав момент, коли вона її перевищила. Саме ця обставина і повинна була спричинити експоненціальне «розпухання» Всесвіту, яке відбувалося із швидкістю, що у багато разів перевищувала швидкість світла. Це «розпухання» супроводжувалося різким зменшенням густини звичайної речовини і не менш різким зниженням температури.

За теорією ця стадія тривала близько ІО"30 с, після чого внаслідок розвитку нестійкостей стався фазовий перехід від стану «несправжнього вакууму» до стану «справжнього вакууму», в процесі якого утворилася величезна кількість реальних частинок речовини з загальною масою близько 1058 г. При цьому вся енергія вакууму перейшла в енергію випромінювання, і Всесвіт розігрівся до надзвичайно високої температури. З цього моменту його еволюція описується стандартною теорією гарячого Всесвіту, що розширюється.

Теорія «інфляційного Всесвіту» здатна розв'язати багато з тих загадок, про які йшлося вище, наприклад проблему формування однорідності й ізотропії сучасного Всесвіту. До початку роздування всередині загального «горизонту» в близьких точках повинні були встановитися приблизно однакові температура й інші фізичні умови. Але в період роздування, що відбувалося з надсвітловою швидкістю, ці точки виявилися стрімко рознесеними на величезні відстані одна від одної.

Водночас абсолютна однорідність не виникла завдяки квантовим флуктуаціям деяких фізичних величин. Ці флуктуації зумовили виникнення невеликих неоднорідностей густини, які й стали центрами формування галактик.

Природне пояснення дістала й близькість середньої густини речовини в сучасному Всесвіті до критичного значення. Справа в тому, що згідно з теорією густина «несправжнього вакууму» у Всесвіті, що «розпухає», точно дорівнює критичній. Тому й густина речовини, яка виникає при розпаді «несправжнього вакууму», також має дорівнювати критичній густині.

Існує ще один цікавий наслідок інфляційного роздування. З теорії випливає, що після стадії «роздування» в районах, які в «доінфляційний» період були досить віддалені один від одного, могли сформуватися різні фізичні умови. І між такими районами--«доменами» -- у процесі інфляційного розширення повинні були виникнути «доменні стінки».

У процесі дальшого розширення з таких районів утворилися «міні-всесвіти», а стінки, що розділяють їх, віддалилися одна від одної, зокрема і від нас,-- за відстань «оптичного горизонту». В цих досить віддалених один від одного регіонах, що різняться своїми фізичними властивостями, могли по-різному відбуватися і процеси компактифікації багатовимірного простору. Внаслідок цього у різних «міні-всесвітах» могли сформуватися простори різної розмірності.

Цілком логічні пояснення дістають у межах теорії «інфляційного Всесвіту» і деякі інші властивості світобудови.

На сьогодні існує кілька варіантів сценарію «Всесвіту, що роздувається», які дуже відрізняються один від одного. Однак усі ці варіанти збігаються в головному: в кожному з них існує стадія експоненціального або майже експоненціального розширення.

Поява і дальша розробка теорії Всесвіту, що роздувається, мають виключно важливе значення для космології. Ця теорія показала, що цілком можливо з єдиної точки зору пояснити цілий ряд реальних властивостей нашого Всесвіту, які раніше задовільного пояснення не знаходили.

Більше того, уявлення про однорідний і ізотропний Всесвіт, яким вичерпується весь матеріальний світ, змінилося картиною світобудови острівного типу, світобудови, в якій існує безліч локальних однорідних і ізотропних міні-всесвітів. Ці міні-всесвіти можуть різнитися властивостями елементарних частинок, розмірністю простору й іншими фізичними характеристиками.

Теорія «інфляційного Всесвіту», що зв'язала його виникнення з квантовою флуктуацією вакууму, значно розширила еволюційні межі наукової картини світу. Завдяки цій гіпотезі, ідея еволюції, яка в другій половині XX сторіччя пронизала всі наші уявлення про Всесвіт, поширилася нині на значно більші просторово-часові масштаби. Уперше в космології ми дістали принципову можливість поширювати поняття часу в минуле не тільки до моменту початку розширення, а й до «мінус нескінченності».

У новій картині світу змінюються і наші уявлення про місце людини й людства у світобудові. Не виключено, що життя і розум існують тільки в нашому міні-всесвіті, а властивості інших міні-всесвітів для життя непридатні.

Методичні міркування. Необхідно звернути увагу учнів на те, що однією з характерних особливостей некласичної науки XX сторіччя є парадоксальний характер багатьох її положень, який суперечить звичайному здоровому глузду і класичним уявленням природознавства недавнього минулого. Найяскравішим виразом цієї обставини може бути відоме висловлювання Нільса Бора з приводу однієї запропонованої кимось з фізинів нової теорії: «Ця теорія недостатньо божевільна, щоб бути істинною».

Ще і в наш час, в останню чверть XX сторіччя, деякі вчені, зокрема і досить відомі, що тяжіють до класичного напряму, не можуть примиритися з принципами некласичної фізики й астрофізики. От що, наприклад, пише відомий астрофізик Альвен з приводу загальноприйнятої в сучасному природознавстві космологічної теорії «Всесвіту, що розширюється» і «великого вибуху»: «Чим менше існує наукових доказів, тим більш фанатичною стає віра в цей міф. Як вам відомо, ця космологічна теорія вкрай абсурдна -- вона твердить, нібито весь Всесвіт виник у якийсь певний момент, подібно до вибуху атомної бомби, що має розміри (більші чи менші) головки від шпильки. Схоже на те, що в сучасній інтелектуальній атмосфері величезна перевага космології «великого вибуху» полягає в тому, що вона зневажає здоровий глузд: credo, quia absurdum («вірю, бо це абсурдно»)! Коли вчені воюють з астрологічним безглуздям поза «храмами науки», годилося б пригадати, що саме в цих стінах подеколи культивується ще гірше безглуздя».

Подібні висловлювання, зв'язані з недостатнім розумінням діалектики розвитку природознавства, дають зайвий привід сучасним релігійним теоретикам проводити паралелі між релігійною системою поглядів і некласичною наукою XX сторіччя, полегшуючи тим самим богословам розв'язання завдання, яке вони перед собою поставили,-- виправдати релігію, прикриваючись авторитетом науки.

Проблема сингулярность Знайомлячись з теоретичними моделями Всесвіту, не можна не ввернути увагу на те, що багато які з них приводять до так званої сингулярности Іншими словами, згідно з цими моделями у початковий момент розширення, тобто при t = 0, густина речовини була нескінченно великою! Проблема сингулярності є однією з центральних проблем сучасної космології. З одного боку, ейшптейнівська загальна теорія відносності неминуче зумовлює сингулярність. Проте, з другого боку, стани з нескінченною густиною фізично нездійсненні. Складається враження, що поява сингулярності в загальній теорії відносності є наслідком того, що ця теорія незастосовна до станів з дуже великою густиною, що вона тут виходить за межі своєї застосовності.

Яким чином може бути усунена суперечність, що виникає? Над розв'язанням цього завдання наполегливо працюють сучасні теоретики -- фізики і астрофізики. Можливо, вдасться показати, що виникаюча з точки зору загальної "теорії відносності в процесі еволюції Всесвіту сингулярність не є все ж у межах цієї теорії абсолютно неминучою, що за певних умов її можна позбутися. Другий напрямок пов'язаний з можливістю існування так званої «фундаментальної довжини», тобто якоїсь мінімальної протяжності, яка визначає межі застосовності відомої нам фізики. Можливий, проте, і третій варіант: не виключено, що межі застосовності загальної теорії відносності визначаються виникненням квантових явищ. За існуючими уявленнями такими межами є часовий інтервал близько 10~43 с, протяжність близько 1,6 * Ю"33 см і густина близько 5 * 1093 г/см3. У зв'язку з цим робляться спроби створення квантової гравітаційної теорії і квантової космології. Саме цей напрям теоретичного пошуку зараз є основним.

Нестаціонарні явища. Одним з найважливіших відкриттів другої половини XX ст., яке значно розширило наші уявлення про Всесвіт, було відкриття радіогалактик. З'ясувалося, що багато зоряних систем -- джерела досить інтенсивного радіовипромінення.

Дослідження космічних радіостанцій за допомогою радіотелескопів показало, що джерелом радіовипромінювання у цих об'єктів, як правило, є не сама галактика, а два плазмових утворення -- «плазмони», симетрично розташовані по обидва її боки. Саме в таких плазмонах, або, як їх прийнято називати, радіокомпонентах, і відбуваються ті фізичні процеси, які породжують потужне радіовипромінювання.

Яка ж природа цих фізичних процесів, які протягом багатьох мільйонів років підтримують радіовипромінювання радіогалактик?

Багато даних свідчать про те, що джерелом енергії радіовипромінювання, очевидно, є активні фізичні процеси, що відбуваються в центральних частинах деяких галактик -- так званих ядрах. Нерідко ці процеси супроводжуються викидом значних мас речовини, виділенням величезних енергій, а також вибуховими явищами. Так, ядро нашої власної Галактики протягом року викидає значні маси водню. Ядра деяких інших галактик проявляють набагато більшу активність.

Але навіть потужні енергетичні сплески, які відбуваються в ядрах галактик, блякнуть порівняно з процесами, що мають місце в об'єктах, які були вперше виявлені у 1963 р. і дістали назву квазарів. Ці об'єкти розташовані на колосальних відстанях від нашої галактики біля меж спостережуваного району Всесвіту, і за даними астрофізичних спостережень є компактними утвореннями. Якщо поперечник нашої Галактики дорівнює 100 тис. св. років, то поперечники квазарів становлять усього лише кілька світлових тижнів або місяців. Порівняно з галактиками це «порошинки». Але кожна така «порошинка» випромінює в сотні разів більше енергії, ніж найбільші відомі нам галактики!

Так, наприклад, світність! усієї нашої Галактики становить близько 1037 Вт. У квазарів вона приблизно в 10 тисяч разів більша! А загальна кількість енергії, що її виділяють квазари, оцінюється в 10м Дж. Це в 10 трильйонів разів більше, ніж виділило Сонце протягом усього свого існування. Такої кількості енергії цілком достатньо, щоб підтримувати спостережуване енерговиділення квазарів -- 1041 Вт упродовж сотень тисяч років.

Деякі квазари випромінюють не тільки в оптичному, радіо та інфрачервоному діапазонах електромагнітних хвиль, а й мають потужне рентгенівське і навіть гамма-випромінювання. Так, у квазарів ЗС-273 рентгенівська світність досягає 2 * 1039 Вт.

Систематичні дослідження в рентгенівському і гамма-діапазонах електромагнітних хвиль, що проводяться останніми роками, привели до виявлення кількох космічних об'єктів, випромінювання яких на цих довжинах хвиль зазнає різких короткочасних коливань. Мова йде, зокрема, про потужні спалахи гамма-випромінювання. І хоч фізичну природу цих явищ до кінця ще не розкрито, вони, безперечно, є відбиттям якихось нестаціонарних процесів, що відбуваються у Всесвіті.

На початку нашого століття будь-які прояви нестаціонарності у Всесвіті, скажімо, пульсації змінних зір цефеїд або спалахи нових і наднових зір, розглядалися вченими як своєрідні відхилення від нормальних станів.

«Пульсація цефеїд,-- писав, наприклад, фізик-теоретик Артур Еддінгтон,-- різновид хвороби, що уражує зорі в певний період дитинства; пройшовши через нього безболісно, вони далі існують без пульсацій. Напади цієї хвороби можуть траплятися й у пізніші періоди життя; зорі зазнають іноді катастрофічних вибухів, які викликають появу нових зір».

Однак астрономічні відкриття XX сторіччя, особливо другої його половини, з усією очевидністю виявили неспроможність уявлень, що панували свого часу, про стаціонарність Всесвіту і об'єктів, які його населяють. Стало ясно, що не тільки Всесвіт як ціле змінюється з часом, але буквально на всіх рівнях існування матерії відбуваються нестаціонарні процеси, якісні перетворення матерії, глибокі якісні стрибки.

Цей висновок цілком відповідає точці зору діалектичного матеріалізму на процес розвитку.

«...Розвиток стрибкоподібний, катастрофічний, революційний; -- «перериви поступовості»; перетворення кількості в якість... взаємозалежність і найтісніший, нерозривний зв'язок всіх сторін кожного явища (причому історія відкриває все нові й нові сторони), зв'язок, що дає єдиний, закономірний світовий процес руху,-- такі є деякі риси діалектики».

У світлі цього висловлювання В. І. Леніна важлива роль нестаціонарних процесів у розвитку космічних форм матерії постає цілком природною й закономірною. Зараз вже ясно, що ці явища -- не випадкові відхилення від норми, а закономірні «поворотні пункти» у розвитку космічних об'єктів, де здійснюються переходи матерії з одного якісного стану в інший, виникають нові небесні тіла.

Відповідно до цього змінилося і головне завдання сучасної астрофізики: вона перетворилася в еволюційну науку, що вивчає закономірності походження і розвитку космічних об'єктів. При цьому однією з найважливіших проблем сучасної астрофізики стало питання про джерела енергії нестаціонарних процесів, які відбуваються у квазарах і ядрах галактик.

Зараз, мабуть, уже ніхто не сумнівається в тому, що між квазарами і ядрами галактик існує генетичний, тобто родинний зв'язок. Однак щодо питання про характер цього зв'язку існують дві точки зору. Згідно з однією з них у центрі галактики в сукупності великої кількості зір і газу утворюється порівняно невелике (розміром 1016--1017 см), але гігантське за масою (близько 108-- 109 мас Сонця) ядро. Якщо галактика повільно обертається, то формування такого ядра уявляється досить природним: газ і зорі «стікають» у «потенціальну яму». З точки зору подібної гіпотези колосальна світність квазарів пояснюється виділенням при гравітаційному стисненні величезної кількості енергії.

За іншою гіпотезою, квазари -- давніші утворення, ніж галактики. Квазари в середньому розташовані далі, ніж галактики з активними ядрами. А це означає, що вони виникли раніше зоряних систем (адже чим далі знаходиться від нас космічний об'єкт, тим у більш віддаленому минулому ми його спостерігаємо) і вже потім «обростали» зорями, стаючи ядрами зоряних систем, що формуються навколо них. На користь такого припущення говорить і подібність фізичних процесів, що відбуваються в квазарах і ядрах деяких зоряних систем. Крім того, останнім часом виявлено ряд квазарів, оточених зорями.

Що ж стосується джерел енергії, які «працюють» у квазарах і активних ядрах галактик, то щодо цього є ряд припущень. Дуже цікавою е гіпотеза «чорних дір». «Чорна діра» -- досить своєрідний об'єкт, теоретична можливість існування якого випливає із загальної теорії відносності. За певних умов компактний згусток речовини може під дією власного тяжіння зазнати катастрофічного стиснення й перетворитися на об'єкт, який відзначається настільки потужним притяганням, що його не зможе здолати жоден фізичний сигнал. Ні промінь світла, ні радіохвиля, ні крихта не зможуть «вирватися» з такого утворення назовні. Це і є «чорна діра».

Водночас «чорна діра» здатна втягувати у себе навколишню речовину. При цьому кінетична енергія падаючої речовини в гравітаційному полі «чорної діри» може перетворюватися на інші види енергії. Висловлюється припущення, за яким у центральних частинах квазарів і ядер галактик знаходяться надмасивні «чорні діри». Вони інтенсивно «всмоктують» навколишню речовину, при цьому виділяється величезна енергія.

Це теоретичне припущення нещодавно дістало цікаве спостережне підтвердження. У безпосередній близькості від центра галактики М-87 з дуже активним ядром було виявлено слабосвітний компактний згусток, маса якого становить 6 млрд, сонячних мас. Не виключено, що це і е надмасивна «чорна діра», впливом якої пояснюється висока фізична активність ядра галактики М-87.

Хоча це може виявитися утворенням і якоїсь іншої фізичної природи. Так, ще у 1958 р. академік В. А. Амбарцумян висловив думку про те, Що до складу ядер галактик входять надмасивні згустки дозоряної матерії, що мають колосальний запас енергії і масу в сотні мільйонів чи навіть у мільярди мас Сонця, їх розпад і зумовлює активність ядер і потужні викиди речовини. На думку Амбарцумяна, саме існування галактики навколо ядра є результатом активності надмасивного тіла. Не ядро утворилося в уже існуючій галактиці, а галактика виникла в результаті активності ядра, а також вторинних центрів активності, що виділилися а нього.

Проте яка з існуючих гіпотез виявиться більш близькою до дійсності, покажуть тільки майбутні дослідження.

Зокрема, що стосується «чорних дір», то поки що жодна реальна «чорна діра» у Всесвіті ще не виявлена.

Згідно з теорією «чорні діри» можуть бути завершальними етапами в житті зір з масою у 3--5 і більше мас Сонця. Якщо такий об'єкт входить до складу подвійної системи, то його можна виявити за деякими непрямими ознаками, зокрема за рентгенівським випромінюванням. Найбільш вірогідним кандидатом такого роду е рентгенівське джерело в сузір'ї Лебедя. А втім хоч результати спостережень цього об'єкта і не суперечать гіпотезі про «чорну діру», але повної впевненості в тому, що це справді «чорна діра», поки що немає. Картина, яка спостерігається, може мати і інші пояснення.

Слід зазначити, що припущення про те, що до складу ядер галактик і квазарів входять «чорні діри», теж є тільки гіпотеза, яка повинна бути підтверджена спостереженнями. З точки зору теорії компактний згусток речовини досить великої маси справді повинен колапсувати і може перетворитися на «чорну діру». Але чи є,такий кінець колапсу практично неминучим, поки що невідомо. У всякому разі, досі астрономічні спостереження реальних підтверджень щодо існування «чорних дір» як у ядрі нашої Галактики, так і у ядрах інших зоряних систем, не дали. Та й з точки зору теорії є ряд факторів, які можуть заважати утворенню в процесі колапсу масивних «чорних дір». Колапсуючі згустки можуть, наприклад, фрагментувати -- розпадатися на частини. На певній стадії стиснення можливе виникнення ядерних процесів, здатних спричинити розлітання газових частин. Ці та деякі інші фізичні явища можуть перешкодити «колапсу до кінця» чи, принаймні, сильно його уповільнити, настільки, що стадії «чорної діри» буде досягнуто лише через кілька мільярдів років. А коли це так, то утворення «чорних дір» у квазарах і ядрах галактик має бути досить рідкісним явищем, і, таким чином, високу активність і величезне енерговиділення цих об'єктів наявністю «чорних дір» пояснити важко.

У процесі вивчення Всесвіту нерідко виявляються незвичайні об'єкти і явища, які тривалий час не дістають задовільного пояснення з точки зору існуючих фундаментальних фізичних теорій. До подібних ситуацій може бути три підходи.

Так, наприклад, явища, які не укладаються в межі відомих фізичних закономірностей, можна прийняти за такі, що не підпорядковані природним закономірностям взагалі, тобто за надприродні. Це найпростіше «розв'язання» проблеми, що не потребує ні доказів, ні якихось подальших досліджень. Саме з цих позицій релігійні теоретики намагаються тлумачити незвичайні явища, які ще не знайшли досить повного пояснення в сучасній фізиці, зокрема і явища космічні, як свідчення обмежених можливостей науки і божественної суті природних процесів.

Однак наука не визнає подібних підходів, її багатовіковий досвід переконливо свідчить про те, що будь-яке, навіть найзагадковіше явище, кінець кінцем дістає природне пояснення.

Другий шлях полягає в тому, щоб, незважаючи на труднощі і невдачі, прагнути до зведення незвичайних явищ до вже існуючого знання.

Зрозуміло, що аналіз будь-яких нових фактів, тим більше незвичайних, з точки зору загальноприйнятих фундаментальних фізичних теорій не тільки бажаний, а й абсолютно необхідний. Проте, з іншого боку, це аж ніяк не виключає правомірності спроб узагальнення цих теорій, оскільки може виявитися, що факти, про які йде мова, лежать поза межами їх застосування. Можна навести чимало прикладів з історії природознавства, коли подібні узагальнення виявлялися не тільки абсолютно необхідними, а й великою мірою плідними.

Тим більше не можна погодитися з твердженням, що його висувають деякі вчені на Заході, начебто фізична наука по суті «завершилася». На їхню думку, все розмаїття існуючих у природі фізичних умов, явищ і об'єктів може бути зведене до скінченної кількості фундаментальних законів, і ці фізичні закони, що керують рухом матерії у Всесвіті (за винятком лише закономірностей явищ, які відбуваються в ультраневеликих ділянках і за дуже великих густин), до нинішнього часу вже відкрито і вивчено, і будь-яке щойно виявлене явище безперечно можна описати за допомогою цих законів.

Проте така точка зору не має під собою жодних підстав. Ще на початку цього сторіччя В. І. Ленін, аналізуючи новітні фізичні відкриття того часу, підкреслював, що «електрон є так само невичерпний, як і атом, природа безконечна...» 1. Так само нескінченний і процес пізнання матеріального світу, що оточує нас. Наші знання про нього стають дедалі глибшими і різнобічними, ніколи не досягаючи межі.

З визнанням нескінченної різноманітності матеріального світу пов'язаний третій підхід до вивчення-незвичайних явищ, який допускав можливість того, що ці явища лежать за межами застосовності існуючих фундаментальних фізичних теорій, і для їх пояснення знадобиться розробка нових, загальніших теорій. Але це трапляється порівняно рідко -- у більшості випадків нові факти рано чи пізно знаходять пояснення в межах існуючих знань. І все ж у процесі наукового дослідження час од часу обов'язково зустрічатимуться і такі факти, які вимагатимуть виходу за межі звичних теорій.

Отже, та обставина, що наука, «прориваючись» у нові зони дослідження, виявляє незвичайні «дивні», «дивовижні» з точки зору існуючих поглядів явища, ніякою мірою не спростовує наших діалектико-матеріалістичних уявлень про навколишній світ. Навпаки, подібні відкриття є наочним підтвердженням одного з основоположних принципів діалектичного матеріалізму -- про нескінченну різноманітність і якісну невичерпність матеріального світу.

Як ми знаємо, у вченні М. Коперника стверджувалося, що центром нашої планетної системи є не Земля, а Сонце, і цим було завдано нищівного удару по церковно-релігійним уявленням про світобудову. Ця кардинальна зміна астрономічної картини світу становила зміст локальної революції -- першої революції в астрономії.

Однак цим зміст наукової революції Коперника не вичерпується. Вчення Коперника утвердило новий надзвичайно важливий методологічний принцип: світ може бути не таким, яким ми його безпосередньо спостерігаємо, і завдання науки полягає в тому, щоб пізнати справжню сутність явищ, сховану за їх зовнішньою видимістю. Цей принцип визначив зовсім нове бачення світу, докорінним чином змінив характер наукової діяльності і став тим методологічним фундаментом, на який спирався весь подальший розвиток природознавства. Тим самим революція Коперника в астрономії переросла у глобальну революцію в природознавстві.

На рубежі XIX і XX сторіч відбулася велика революція у фізиці, що ознаменувалася створенням принципово нових фундаментальних фізичних теорій -- квантової механіки і теорії відносності. Ця революція розгорнулася саме тоді, коли класична картина світових явищ, побудована на основі фізики Ньютона з її залізним зв'язком причин і наслідків, здавалася майже повністю завершеною і здатною пояснити будь-які явища.

Проте розвиток фізики показав неспроможність подібних уявлень. З'ясувалося, що механічні явища -- це лише окремий, граничний випадок набагато складніших процесів, які підпорядковуються зовсім іншим законам. Класична механіка виявилася граничним випадком теорії відносності ари швидкостях, значно менших від швидкості світла, і не надто великих масах. Це була локальна революція у фізиці. Але вона принесла з собою не тільки нові загальніші теорії, а й викликала перегляд багатьох звичних уявлень, що мають першорядне світоглядне й методологічне значення.

Цілий ряд положень класичної фізики, які до певного часу служили настільки добре, що вони почали здаватися" «абсолютними», зазнали повного краху. Цей крах викликав у багатьох природодослідників велику розгубленість, набрав у їхніх очах характеру загальної катастрофи науки взагалі. Якщо наші знання про матерію, розмірковували вони, знання, якими прекрасно користувалися протягом сторіч, раптом виявилися неспроможними, якщо навіть найфундаментальніші уявлення про природу піддаються кардинальному перегляду, то з цього випливає, що ніякої матерії не існує, а існують лише наші уявлення про неї.

У XX сторіччі відбулася друга революція в астрономії. На початку сторіччя і сам Всесвіт, і небесні тіла, що його населяють, за рідкісними винятками здавалися майже незмінними, стаціонарними; вважалося, що космічні об'єкти еволюціонують надзвичайно повільно, плавно, поступово переходячи від одного стаціонарного стану до іншого стаціонарного стану.

Однак XX сторіччя внесло в ці уявлення кардинальні зміни. Перш за все виявилось, що ми живемо в .нестаціонарному Всесвіті, що розширюється. Потім були відкриті численні локальні нестаціонарні явища, що супроводжувалися виділенням колосальної енергії, потужними вибуховими процесами. Стало ясно, що не тільки Всесвіт як ціле змінюється з часом, і його минуле нетотожне його сучасному стану, а й буквально на всіх рівнях існування матерії йдуть нестаціонарні процеси, відбуваються якісні перетворення матерії, глибокі якісні стрибки.

Відповідно до цього змінилося і головне завдання сучасної астрофізики: вона перетворилася на еволюційну науку, яка вивчає закономірності походження й розвитку космічних об'єктів.

Таким чином, астрономічні відкриття XX сторіччя принесли з собою зовсім нове бачення астрономічного світу: на зміну картині незмінного, стаціонарного Всесвіту прийшла картина еволюціонуючого Всесвіту -- не тільки такого, що розширюється, а й буквально «вибухає». Ця обставина дає всі підстави розглядати сукупність відкриттів у галузі вивчення Всесвіту, зроблених у нашому столітті, а також супутну їм радикальну перебудову системи знань про Всесвіт як чергову революцію в астрономії.

Нова революція в астрономії увійшла як надзвичайно важлива складова частина у науково-технічну революцію, що розгорнулася у другій половині цього століття і охопила майже всі галузі сучасної науки та їх практичне застосування.

Головним підсумком цієї революції можна вважати новий погляд на сутність пізнавальної діяльності людини, розуміння того, що процес наукового пізнання «віту є суб'єкт-об'єктною взаємодією. Матеріальний світ постав перед нами як сфера прикладення практичної діяльності людей.

Цей висновок має колосальне методологічне і філософське значення, він також надзвичайно важливий для організації всієї практичної пізнавальної діяльності сучасного людства.

Методичні міркування. Як ми вже неодноразово зазначали, бурхливий прогрес природознавства змусив захисників релігії змінити ставлення до науки. Враховуючи, що в наші дні вступати в спір з природознавством у конкретних питаннях світобудови безглуздо й безперспективно, сучасні богослови змінили тактику. Замість того, щоб нападати на науку, вони прагнуть тлумачити наукові дані на користь релігійних уявлень, не зупиняючись при цьому перед прямою фальсифікацією науки. Зокрема, вони намагаються ототожнити крах класичної картини світу з крахом матеріалістичного світогляду, твердячи, що нова фізика начебто вже однією своєю появою свідчить на користь релігійних уявлень. Зокрема, для цього широко використовується розвиток нової, «некласичної» фізики XX сторіччя.

«Фізика веде нас до брами релігії»,-- заявляв католицький єпископ О. Шпюльбек. Приблизно те саме твердив в одному із своїх творів з богослів'я архієпископ Лука, праці якого дістали офіційне схвалення Руської православної церкви. На його думку, найбільші наукові відкриття початку XX сторіччя розхитали матеріалістичні підвалини природознавства і змусили переглянути на користь ідеалізму (а значить, і релігії) основні положення фізики і математики '.

Насправді ж усі ці широкомовні заяви не мають під собою, зрозуміло, ніяких підстав. Так, класична фізика, як ми вже зазначали, створила струнку картину світу з причинним взаємозв'язком усіх явищ, виключивши тим самим можливість втручання у хід світових процесів надприродних сил.

Революція у фізиці показала неспроможність претензій класичної фізики на те, щоб дати вичерпне описання всіх явищ з позицій механіки. Але чи означає це, що тим самим наука зробила крок у бік релігії? Подібний висновок зовсім неправильний. Справа в тому, що матеріалізм класичної фізики був вульгарним, механістичним, метафізичним матеріалізмом, що намагався звести всі світові процеси до однієї найпростішої форми руху. Нова, некласична фізика XX сторіччя завдала удару не по матеріалізму класичної фізики, а по її претензіях на пояснення всього існуючого з механістичної точки зору. Сама ж некласична фізика є не менш матеріалістичною, ніж класична, але це матеріалізм вищого порядку -- матеріалізм діалектичний. І нова фізика не має потреби в гіпотезі бога, вона також розкриває природну причинність й закономірність явищ, хоча відкриті нею закономірності і не зводяться до механістичних.

Слід згадати основоположне висловлювання В. І. Леніна, яке має безпосереднє відношення до питань світогляду: «Це, звичайно, чиста нісенітниця, ніби матеріалізм стверджував... обов'язково «механічну», а не електромагнітну, не яку-небудь ще незмірно складнішу картину світу, як рухомої матерії».

Нерозуміння цієї фундаментальної обставини часто призводить до того, що проти тих чи інших конкретних природничонаукових гіпотез, теорій або концепцій як головний, а іноді й єдиний аргумент, висувається звинувачення, буцімто вони суперечать матеріалістичному світогляду. Так було, наприклад, коли прихильники класичної ньютонівської космології вели боротьбу з новою релятивістською космологією, абсолютно безпідставно зображуючи цю боротьбу як боротьбу світоглядів, боротьбу матеріалізму проти ідеалізму.

Геометрія Всесвіту. Згідно з загальною теорією відносності геометричні властивості простору залежать від розподілу речовини. Будь-які згустки речовини викривлюють простір, і оскільки ми живемо в непорожньому Всесвіті, то його простір викривлений, він неевклідів.

У викривленому світі необмеженість не збігається з нескінченністю. Під необмеженістю в даному випадку мається на увазі відсутність «матеріальних» меж. Такий необмежений світ, проте, у певному, наприклад метричному розумінні, може виявитися скінченним, може мати скінченний об'єм, бути «замкненим у собі».

Питання про необмеженість матеріального світу -- це принципове філософське питання. Якщо ми визнаємо, що матеріальний світ обмежений чимось нематеріальним, то це призведе до принципової суперечності з матеріалістичною точкою зору на світ, до фактичного визнання релігії.

Що ж до геометричних властивостей нашого Всесвіту, зокрема його скінченності або нескінченності, то це питання можна розв'язати лише шляхом відповідних астрономічних спостережень і досліджень.

Свого часу деякі філософи-матеріалісти намагалися пов'язувати припущення про скінченність Всесвіту з релігійними уявленнями про світ, а про нескінченність -- в матеріалізмом. Однак подібна постановка питання в зовсім неправомірною.

Питання про скінченність чи нескінченність Всесвіту -- конкретно наукове питання. І якщо виявиться, що наш Всесвіт скінченний, це жодною мірою не суперечитиме нашим матеріалістичним уявленням.

До речі, сучасні захисники релігії аж ніяк не вважають, що можлива нескінченність Всесвіту спростовує релігію. Навіть навпаки. Характерним є висловлювання в цього приводу релігійне настроєного англійського астронома Є. Мідна: «Для створення нескінченного Всесвіту потрібен більш могутній бог, ніж для створення скінченного: аби створити простір для нескінченної три еволюційних сил, потрібен більш великий бог, ніж для того, щоб завести механізм раз і назавжди. Ми звільняємо ідею бога від дрібності, що вона була йому приписана песимістичною наукою минулого» '.

Слід зазначити, що сучасні захисники релігії за кожної зручної нагоди висувають як аргумент на користь релігійного світорозуміння релігійні висловлювання відомих учених. Хід міркувань приблизно такий: якщо вже видатні дослідники, які безпосередньо пов'язані з наукою, мають релігійні погляди, то що може переконливіше свідчити про існування бога?

Проте ми вже знаємо, що деякі особливості процесу пізнання можуть сприяти формуванню хибних, релігійних уявлень про світ, незважаючи на його фактичну матеріальну єдність. І саме цим пояснюються релігійні погляди деяких буржуазних учених, а не тим, що в процесі наукових досліджень їм відкрилася «божественна істина».

Загальна теорія відносності дає точний числовий критерій замкненості простору нашого Всесвіту, що залежить від середньої густини речовини. Якщо ця густина перевищує певне критичне значення (3- І0~2д г/см3), то простір нашого Всесвіту замкнений і скінченний. У противному разі він незамкнений і нескінченний. Відповідно до астрофізичних даних, що існували до недавнього часу, середня густина оцінювалась трохи нижче або близько до критичного значення. Однак останніми роками в науковій пресі з'явилися повідомлення про те, що в елементарної частинки нейтрино, яка, як вважалося, не має маси спокою, насправді така маса є. Як гадають, ця маса приблизно в ЗО--40 тисяч разів менша від маси електрона. А якщо це так, то виявиться, що загальна маса нейтрино у Всесвіті в десятки разів перевищує масу «звичайної» речовини. Це означатиме, що середня густина набагато більша за критичну. І, отже, наш Всесвіт замкнений і скінченний, і його розширення через багато мільярдів років повинне змінитися стисненням.

Множинність всесвітів. Останнім часом у фізиці й астрофізиці дедалі більшу увагу привертає до себе ідея множинності всесвітів -- різновпорядкованих світів. Суть цієї ідеї полягає в тому, що поряд з нашим Всесвітом у матеріальному світі може існувати незліченна кількість інших всесвітів, які мають різні властивості і складним способом межують один з одним (частково про це вже говорилося у розділі про теорію «інфляційного» Всесвіту).

Коли ми порівнюємо розміри різних природних об'єктів, то простежується певна ієрархія -- від елементарних мікрочастинок до галактик і Метагалактики. Сучасна фізика високих енергій за допомогою велетенських прискорювачів проникла в глибини мікросвіту.

А якщо збільшити потужність експериментальних пристроїв? Чи вдасться тоді зазирнути ще далі, виявити ще дрібніші частинки матерії? І взагалі, наскільки далеко можна просуватися подібним шляхом?

Багато вчених припускають, що простір не можна ділити нескінченно, що цю операцію можна здійснювати лише до певної межі. На певному етапі «поділу» властивості простору настільки змінюються, що про нього вже не можна говорити, як про такий, що складається з менших частин. Справа в тому, що в результаті досліджень у галузі мікропроцесів, проведених останніми роками, виявлено дивовижні факти. Наприклад, елементарна частинка може містити як свої складові кілька точно таких самих частинок, що й вона сама. Так, протон на дуже короткий час розпадається на протон і ще пімезон. А кожний пі-мезон у свою чергу ще на три пімезони. Мало того, випустивши свій пі-мезон, що входить до його складу, протон може перетворитися у важчий нейтрон!..

Отже, у мікросвіті звичайні уявлення про просте й складне, про ціле й частини втрачають свій звичний зміст. Частина може виявитися масивнішою за ціле і не менш складною щодо своєї будови.

Звичні уявлення про частину і ціле останнім часом піддаються перегляду і стосовно мегакосмосу, щоправда, на відміну від фізики мікросвіту поки що тільки в суто теоретичному плані. В одному з попередніх підрозділів цього розділу ми ознайомилися з «чорними дірами» -- об'єктами, з яких назовні не може «вирватися» ні частинка, ні випромінювання. Але якщо згусток речовини, що стиснулася у «чорну діру», мав електричний заряд, навіть такий малий, як заряд електрона, то повна ізоляція «чорної діри» від усього навколишнього не відбудеться. Цьому стане на заваді електростатичне поле, лінії напруги якого обов'язково повинні виходити назовні і закінчуватися на якому-небудь іншому заряді. В результаті сторонній спостерігач замість величезного масивного об'єкта побачить лише маленьку горловину, що з'єднує простір, який викривився і майже замкнувся з нашим звичайним простором. І, можливо, найвражаюче полягає в тому, що при досить великій масі подібну горловину не відрізнити від звичайної елементарної частинки. Таким чином, сторонньому спостерігачеві увесь Всесвіт може здаватися маленькою частинкою, скажімо, протоном чи електроном.

А звідси виникає ще екзотичніша ідея: чи не є всі спостережувані нами елементарні частинки гігантськими всесвітами -- всесвітами, які проявляють себе в нашому світі як елементарні частинки? Теоретична можливість такої ситуації була кілька років тому показана відомим радянським фізиком, академіком М. О. Марковим. Він висловив ідею множинності «всесвітів» -- різних світів, пов'язаних надзвичайно складними відношеннями, які не зводяться до звичайних просторово-часових відношень, характерних для «нашого» Всесвіту. Що ж до реалізації подібних «конструкцій» у матеріальному світі, то поки що це питання залишається відкритим, хоч у принципі така можливість не суперечить відомим сучасній фізиці законам природи.

Таким чином, якщо академік Марков має рацію, то і в цьому випадку менше може складатися з більшого. Якщо елементарна частинка, наприклад електрон, є лише якоюсь спостережуваною частиною гігантського світу, то це означає, що наш Всесвіт фактично складається з безлічі інших подібних йому всесвітів.

І не тільки Всесвіт, але, хоч як це й не дивно, і взагалі будь-який об'єкт нашого світу, в тому числі й сама людина.

З позицій подібної гіпотези світ -- це не ієрархія послідовно вкладених один в одного об'єктів, а система, що складається з взаємопроникаючих і взаємообумовлю-ючих один одного світів, де мегакосмічні і мікроскопічні явища існують у тісній єдності й взаємозв'язку.

«Велике об'єднання». Одним з основних положень матеріалістичної діалектики є уявлення про загальний взаємозв'язок і взаємозалежність явищ природи.

Розвиток фізики не раз підтверджував плодотворність цієї ідеї. Так, наприкінці минулого сторіччя Дж. Максвелл вивів свої знамениті рівняння, з яких випливав взаємозв'язок електричних, магнітних і оптичних явищ.

У XX сторіччі було створено так звану квантову теорію поля, що являла собою синтез спеціальної теорії відносності Ейнштейна і квантової механіки. Потім на основі квантової теорії поля було розроблено квантову електродинаміку, що описує взаємодію електронів і фотонів.

А в останні роки з'явилася теорія (електрослабка теорія), яка об'єднує електромагнітні і слабкі фізичні взаємодії (взаємодії за участю нейтрино).

Нарешті, в наш час інтенсивно розробляється ще загальніша теорія -- теорія «Великого об'єднання», яка повинна об'єднати електромагнітні і слабкі взаємодії із сильними (ядерними). З цієї теорії (а вона вже дістала кілька вражаючих експериментальних підтверджень) випливає один досить важливий наслідок: висновок про нестабільність протона -- однієї з основних елементарних частинок -- ядра атома водню. Іншими словами, протони час від часу мають самочинно розпадатися.

На щастя, як показують розрахунки, період напіврозпаду протона на багато порядків вищий, ніж вік нашого Всесвіту. Якби це було не так, усі атомні ядра, а отже, і всі навколишні предмети давним-давно розпалися б на легші частинки.

Нині для перевірки завбачення про нестабільність протона проводять спеціальні експерименти. І якщо вони дадуть позитивний результат, це, можливо, проллє світло на одну з найбільших загадок Всесвіту -- відсутність у ньому скільки-небудь помітної кількості антиречовини.

Відповідно до одного з основних законів сучасної фізики елементарні частинки завжди народжуються парами -- народження частинки завжди супроводжується появою відповідної античастинки. Тим часом усі космічні об'єкти, які ми спостерігаємо, складаються з речовини.

Якщо є правильною теорія «Великого об'єднання» і протони насправді нестабільні, то не виключено, що вже в найперші моменти космологічного розширення приблизно за 10-3 б с розпади надважких частинок, подібні до розпаду протона, спричинилися до утворення певного надлишку частинок порівняно з античастинками, який зберігся і до нашої доби.

Размещено на Allbest.ru