Так или иначе, не обойтись здесь без краткого освещения некоторых вопросов космологии. Они тесно связаны с проблемой происхождения, размера и строения Вселенной. Бесконечна или конечна Вселенная? Каков возраст нашей Солнечной системы и нашей галактики Млечный Путь? Как они образовались? Сколько других галактик во Вселенной и как они распределены? Как они произошли? Что представляла собой Вселенная до того, как образовались эти галактики? Внезапно или непрерывно создавался мир? Разделы физики и астрономии, занимающиеся такими фундаментальными проблемами, переживают в настоящее время бурное развитие. Например, возраст нашей Галактики за последние годы «увеличился» благодаря появлению более точных теорий примерно на 10 млрд лет. По последним оценкам, Млечному Пути почти 20 млрд лет, а возраст Земли – 4,5 млрд лет. Не будем так далеко забегать вперед. Будет лучше, если на поставленные вопросы можно будет получить ответы, путешествуя за расширением более или менее исследованной Малой Вселенной [5, 6, 8, 11, 23, 27]. Ту часть пространства Мироздания, которую сегодня астрономы могут наблюдать и в какой-то степени исследовать, принято считать Малой Вселенной. Однако многие вещи о ней построены на гипотезах [8, 11]. Напомним, что гипотеза – это предположение, которое ученые выдвигают, когда у них еще нет достаточного количества фактов для построения теории, для установления закономерностей, связывающих различные явления природы. Высшим критерием каждой гипотезы является великий суд опытов. Если опыты подтверждают гипотезу, она неизбежно превратится в теорию. Если не подтвердят, ей суждена, как правило, скорая смерть. Примеров на этот счет предостаточно. Гипотезы всегда играли и играют сегодня важнейшую роль в науке. Энгельс Ф. сказал: «Гипотезы являются формой развития естествознания». Особенно интересны те гипотезы, которые позволяют делать выводы о вещах, как будто бы не вытекающих непосредственно из самой гипотезы. Так, например, происхождение Мироздания, даже Вселенной и многое другое базируются на таких гипотезах. Если мы признаем вечность материи и бесконечность пространства, то существующая гипотеза об образовании Малой Вселенной в результате Большого Взрыва сверхплотного вещества является частным случаем, т. е. гипотезой о новейшей истории ее эволюции. Это означает, что в наших гипотезах происшедший Большой Взрыв был не первым и не станет последним грандиозным событием в эволюционном процессе Мироздания. Тем не менее, дальше будем следовать за мыслями и гипотезами ученых. Что же находится за пределами нашей Малой Вселенной, какова та Большая Вселенная, в которую непрерывно со скоростью света без сопротивления продвигаются расширяющиеся границы нашей Малой Вселенной? А какова истинная скорость света в реальном космосе, заполненном элементарными частицами – эфиром? Мы следуем за мыслями ученых, совершивших это путешествие с помощью математических формул. Этим же путем пойдут и фантасты, которым очень скоро станут тесными те 12–15 млрд световых лет радиуса нашей Вселенной, отмеренные учеными согласно формулам А. Эйнштейна. Со временем и этому объему придется внести существенные поправки, так как скорость света не является постоянной в разных средах. Она бывает и значительно больше, чем 300 тыс. км/с. Когда «возраст» Вселенной после начала «взрыва» составлял одну десятитысячную долю секунды, ее средняя плотность (1014 г/см3) была уже близка к плотности атомных ядер (2·1014 г/см3), а температура снизилась до уровня нескольких триллионов градусов. К этому времени нуклоны и антинуклоны уже сумели аннигилировать, т. е. взаимно уничтожаться, превратившись в кванты жесткого излучения. Сохранилось и множилось лишь количество нейтрино, рождавшихся при взаимодействии частиц, так как нейтрино наиболее слабо взаимодействуют с другими частицами. Это растущее «море» нейтрино изолировало друг от друга наиболее долго живущие частицы – протоны и нейтроны и обусловило превращение протонов и нейтронов друг в друга и электрон-позитронных пар. Неясно, чем обусловлено последующее преобладание в нашем мире частиц и незначительное количество античастиц [22]. Теория Большого Взрыва, разработанная Я.Б. Зельдовичем и И.Д. Новиковым, убедительно объяснила «избыток» гелия во Вселенной [23]. Заметим, что каких бы взглядов на эволюцию Вселенной ни придерживаться, остается незыблемым бесспорный факт – мы живем в химически нестабильном мире, состав которого непрерывно меняется. По некоторым данным получается, что в разных направлениях скорость расширения «распухания» Вселенной неодинакова, что противоречит сложившимся до сих пор представлениям о строго «сферической» форме расширяющегося мира. Наконец, недавно выяснилось, что скорости галактик относительно фона реликтового излучения очень малы. Они измеряются не тысячами и десятками тысяч километров в секунду, как это следует из теории расширяющейся Вселенной, а всего лишь сотнями километров в секунду. Выходит, что галактики практически покоятся относительно реликтового фона Вселенной, который по ряду причин можно считать абсолютной системой отсчета. Как преодолеть это противоречие пока неясно. Не следует забывать, что гипотеза расширяющейся Вселенной – это все-таки пока еще только гипотеза, а не твердо и окончательно установленный факт. В мире существует бесконечное множество различных типов пространств, времен, отличных от тех, которые известны нам [27]. Итак, расширяющаяся Вселенная! Прежде всего, подчеркнем, что речь идет о расширении всей Вселенной, т. е. об увеличении объема всего замкнутого сфероподобного трехмерного пространства. Разбегание же всей системы галактик есть следствие расширения пространства, увеличения «радиуса» Вселенной. Радиус сферы, заключающей наблюдаемые ныне астрономические объекты, равен примерно 1023 км. Объем этой сферы составляет 1070 км3 [22]. Если принять на основании наблюдений, что средняя плотность вещества во Вселенной равна примерно 10-29 г/см3, то масса доступной наблюдению части Вселенной составит 2·1056 т, что в 1023 раз больше массы Солнца. Принимая, наконец, что массы других галактик в среднем близки к массе нашей Галактики (порядка 1011 масс Солнца), получим, что в наблюдаемой части Вселенной должно находиться примерно 1012 галактик. Сжатая до плотности порядка 1093 г/см3 Вселенная когда-то имела радиус порядка одной десятитриллионной доли сантиметра, т. е. по размерам была сравнима с протоном! Температура этой микровселенной, кстати сказать, весившей не менее 1051 т, была неимоверно велика и, по-видимому, близка к 1032 °С [22]. Такой Вселенная была спустя ничтожную долю секунды после начала «взрыва». В самом же «начале» и плотность и температура обращаются в бесконечность, т. е. это «начало», применяя математическую терминологию, является той особой «сингулярной» точкой, для которой уравнения современной теоретической физики теряют физический смысл. Но это не означает, что до «начала» ничего не было: просто мы не можем представить себе, что было до условного «начала» Вселенной. Если вещество всех видимых галактик равномерно «размазать» по всему пространству Вселенной, то на три кубических метра пространства придется лишь один атом водорода (для простоты всю материю звезд будем считать водородом). И в то же время в каждом кубическом сантиметре реального пространства содержится около 500 фотонов излучения [11]. Откуда же взялось столь интенсивное излучение? В свое время советский ученый А.А. Фридман открыл, что наша Вселенная находится в постоянном расширении. Вскоре американец Э. Хаббл обнаружил явление разбегания галактик. Экстраполируя это явление в прошлое, можно вычислить момент, когда все вещество Вселенной находилось в весьма малом объеме и плотность его объема, разумеется, несравненно большей, чем сейчас. В ходе расширения Вселенной происходит и удлинение длины волны каждого кванта пропорционально расширению Вселенной; при этом квант как бы «охлаждается» – ведь чем меньше длина волны кванта, тем он «горячее». Сегодняшнее сантиметровое излучение имеет яркостную температуру около 3 градусов абсолютной шкалы Кельвина. А 10 млрд лет назад, когда Вселенная была несравненно меньшей, а плотность ее вещества очень большой, эти кванты обладали температурой порядка 10 млрд градусов. С тех пор и «засыпана» наша Вселенная квантами непрерывно остывающего излучения. Поэтому «размазанное» по Вселенной сантиметровое радиоизлучение и получило название Реликтового. Кванты сантиметрового излучения – безусловно, самые из всех возможных реликтов. Ведь образование их относится к эпохе, отстающей от нас примерно на 15 млрд лет. Мы практически ничего не можем сказать о том, каким было вещество в нулевой момент, когда его плотность была бесконечно большой. Но явления и процессы, происходящие во Вселенной всего через секунду после рождения и даже раньше, до 10-8 с, ученые представляют себе довольно хорошо. Сведения об этом принесло нам именно реликтовое излучение. Итак, прошла секунда с нулевого момента. Материя нашей Вселенной имела температуру 10 млрд градусов и состояла из своеобразной «каши» реликтовых квантов, позитронов, нейтрино и антинейтрино. Плотность «каши» была огромной – более тонны на каждый кубический сантиметр [11]. В такой «тесноте» непрерывно происходили столкновения нейтронов и позитронов с электронами, протоны превращались в нейтроны и наоборот. Но больше всего было тут именно квантов – в 100 миллионов раз больше, чем нейтронов и протонов. Конечно, при подобной плотности и температуре не могли существовать никакие сложные ядра вещества: они тут же распадались. Прошло 100 секунд. Расширение Вселенной продолжалось, плотность ее непрерывно уменьшалась, температура падала. Позитроны почти исчезли, нейтроны превратились в протоны. Началось образование атомных ядер водорода и гелия. Расчеты ученых показывают, что 30 % нейтронов объединились, образуя ядра гелия, а 70 % остались одинокими, стали ядрами водорода. В ходе этих реакций возникли новые кванты, но их количество не шло уже ни в какое сравнение с первоначальным, так что можно считать, что оно и вовсе не изменилось. Расширение Вселенной продолжалось. Плотность «каши» снижалась пропорционально кубу линейного расстояния. Проходили годы, столетия, тысячелетия. Прошло 3 млн лет. Температура «каши» к этому моменту упала до 3–4 тыс. градусов, плотность вещества также приблизилась к известной нам сегодня, однако сгустки материи, из которых могли бы сложиться звезды и галактики, возникнуть еще не могли. Слишком велико было в то время лучевое давление, расталкивающее любое такое образование. Даже атомы гелия и водорода оставались ионизированными: электроны существовали отдельно, протоны и ядра атомов – также отдельно. Только к концу трехмиллионного периода в остывшей «каше» начали появляться первые сгущения. Их было поначалу очень немного. Едва одна тысячная часть «каши» сгустилась, образуя своеобразные протозвезды, как эти образования начали гореть аналогично современным звездам. И исторгаемые ими фотоны и кванты энергии разогрели начавшую было остывать «кашу» до температур, при которых образование новых сгущений опять оказалось невозможным. Периоды остывания и повторного разогревания «каши» вспышками протозвезд чередовались, сменяя друг друга. А на каком-то этапе расширения Вселенной образование новых сгущений стало практически невозможным уже потому, что некогда столь густая «каша» слишком «разжижалась». Примерно 5 % материи успело объединиться, а 95 % рассеялась в пространстве расширяющейся Вселенной. Так рассеялись и некогда горячие кванты, образовавшие излучение, которое мы сегодня называем реликтовым. Так рассеялись и ядра атомов водорода и гелия, которые входили в состав «каши». Отсюда вывод: большая часть материи нашей Вселенной находится, отнюдь, не в составе планет, звезд и галактик, а образует межгалактический газ, который состоит из 70 % водорода и 30 % гелия, один атом водорода на кубический метр пространства. Затем развитие Вселенной миновало стадию протозвезд и вступило в стадию обычного для нас вещества, обычных разворачивающихся спиральных галактик, обычных звезд, самая знакомая из которых – наше Солнце в галактике Млечный Путь. Вокруг них из этих звезд образовались системы планет, по крайней мере, на одной из таких планет возникла жизнь, в ходе эволюции породившая разум. Как часто встречаются в просторах космоса звезды, окруженные хороводом планет, ученые пока еще не знают. Ничего не могут они сказать и о том, как часто возникает на планетах жизнь. Да и вопрос о том, как часто растение жизни расцветает пышным цветком разума, остается открытым. Известные нам сегодня гипотезы, трактующие все эти вопросы, больше похожи на малообоснованные догадки. Межгалактический газ, составляющий основную часть вещества Вселенной, распределен по ней столь же равномерно, как реликтовые кванты. Об изотропности Вселенной свидетельствует удивительная равномерность реликтового радиоизлучения. Второй факт свидетельствует о том же – распределение вещества Вселенной между галактиками и межгалактическим газом. Открытие реликтового излучения дает возможность заглянуть не только в сверхдалекое прошлое – за такие пределы времени, когда не было ни нашей Земли, ни нашего Солнца, ни нашей Галактики, ни даже Вселенной. Как удивительный телескоп, который можно направить в любую сторону, открытие реликтового излучения позволяет заглянуть и в сверхдалекое будущее. Такое сверхдалекое, когда уже не будет ни Земли, ни Солнца, ни Галактики. Это будет в далеком будущем – в пределах около 100 млрд лет [11]. Вернемся снова к явлению расширения Вселенной, к тому – как разлетаются в пространстве слагающие ее звезды, галактики, облака пыли и газа. Вечен ли этот процесс? Или же разлет замедлится, остановится, а затем сменится сжатием? И не являются ли сменяющие друг друга процессы расширения и сжатия Вселенной своеобразными пульсациями, если хотите дыханием Великой материи, неуничтожимой и воистину вечной. Какой смысл в бесконечном числе пульсаций мира? Бессмысленных процессов в природе не бывает! Очевидно, природа как скульптор будет ломать и снова лепить свое произведение, стремясь достичь совершенства материального мира. Ответ на часть этих вопросов зависит в первую очередь от того, сколько материи содержится во Вселенной. Если ее для общего тяготения достаточно, чтобы преодолеть инерцию разлета, то расширение неизбежно сменится сжатием, при котором галактики постепенно сблизятся. Если сил гравитации для торможения и преодоления инерции разлета недостаточно, то наша Вселенная обречена: она рассеется в бесконечном пространстве! А может, сольется с другим миром, о свойствах которого мы ничего не знаем. Грядущая судьба всей нашей Вселенной? Существует ли проблема более грандиозная? Изучение реликтового излучения дало науке возможность ее поставить. И не исключено, что дальнейшие исследования позволят ее решить.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Путешествие за расширением Малой Вселенной» з дисципліни «Екологія Всесвіту»
