Реферат: Проблема эволюции Вселенной

Борис Якушев

Проблема эволюции Вселенной является центральной в естествознании. Она привлекает к себе исследователей различных специальностей и биологов особенно. Это естественно, поскольку самое главное звено в эволюции Вселенной – жизнь, разум. Какова их судьба в дальнейшем, в ходе эволюции Вселенной – или полное исчезновение, когда вся субстанция Вселенной через 10³² лет распадется до фотонов и нейтрино, или циклы развития Вселенной будут периодически повторяться.

Осмысливание процессов, происходящих во Вселенной должно проводиться с различных позиций. При этом не должно быть стереотипов, давления авторитетов, традиций.

Общепризнанным является тот факт, что Вселенная около 13 млрд. лет тому назад находилась в состоянии сингулярности, состоянии бесконечно большой плотности – 10⁹³ г/см³. Затем в результате Большого Взрыва она начала расширяться, и это расширение длится и в настоящее время.

О расширяющейся Вселенной (а ее структурными единицами являются галактики) свидетельствует красное смещение длин волн света, испускаемых галактиками в связи с их удалением от наблюдателя согласно эффекта Доплера. Это открытие В.М.Слайфера и Э.П.Хаббла (американских астрономов) не потеряло свое значение и в наше время.

В.М.Слайфер и Э.П.Хаббл исследовали скорости движения галактик. Они показали, что ближайшие к нам галактики удаляются от нас со скоростями от нескольких сотен до тысяч км/с. Скорости галактик возрастают с увеличением расстояний до них. Это доказывает тот факт, что удаляющиеся галактики движутся по расширяющейся спирали (в искривлении их траекторий повинны силы тяготения) и наблюдается эффект, напоминающий вращательное движение тела – угловые скорости материальных точек (галактик) на различном удалении от оси вращения (в данном случае от наблюдателя) равны, а линейные возрастают пропорционально увеличению расстояния от наблюдателя (R₂/R₁).

В связи с открытием расширяющейся Вселенной перед космологами стал вопрос, как долго может длиться этот процесс. Согласно релятивистской теории тяготения А.Эйнштейна и учения А.Фридмана (советского ученого) о нестационарности Вселенной, разбегающиеся галактики тормозятся силами гравитации. Было рассчитано с использованием уравнения Э.Хаббла, что если плотность вещества во вселенной ρ_кр равна 10^–29 г/см³ (так называемая критическая плотность), то сил гравитации во Вселенной достаточно, чтобы ее расширение было заторможено, и согласно теории А.Фридмана сменилось на обратный процесс – концентрацию галактик под влиянием сил тяготения.

Однако астрофизические расчеты показали, что плотность вещества во Вселенной ниже критической и составляет ρ_расч. = 3,0·10^–31 г/см³. Если это так, то Вселенная обречена на бесконечное расширение.

В настоящее время высказываются мнения, что учтена не вся масса во Вселенной, и что имеется еще так называемая «скрытая масса». Предположительно это может быть реликтовое нейтринное излучение. Однако последние работы в этой области не подтверждают эту гипотезу.

При изучении данной проблемы обращает на себя внимание тот факт, что при разработке вопросов Механики Вселенной космологи прошлого и настоящего рассматривают астрофизические объекты только как источники гравитации, не учитываются процессы, происходящие в этих объектах, энергию их излучения. А она-то и составляет скрытую массу во Вселенной, поскольку энергия эквивалентна массе: Е = mс².

Подсчитано, что 90...95% массы галактик сосредоточено в звездах. Рассчитано, что полная энергия излучения Солнца Е₀ равна 3,826·10²⁶ Дж/с. Наша Галактика Млечный Путь обладает излучением приблизительно 10¹⁰ Е₀, т.е. 3,826·10³⁶ Дж/с.

Если бы галактика была неподвижна во Вселенной, то излучаемая ею энергия оказывала бы на нее со всех сторон одинаковое воздействие. Но поскольку галактики во Вселенной движутся по инерции после Большого Взрыва, то воздействие излучения, по нашему мнению, на разные стороны «шара» будет разным согласно эффекта Доплера. Против направления движения оно будет большим, поскольку происходит смещение спектра излучения в фиолетовую область. Перемещающиеся в пространстве Вселенной галактики – это самотормозящиеся ракеты.

Ближайшей от нашей галактики Млечный Путь считается галактика Туманность Андромеды. О расстоянии до этой галактики и ее лучевой скорости, а также знаке этой скорости в литературе имеются противоречивые данные, что, как выяснилось в последнее время, связано с особенностью движения Солнца в нашей Галактике.

Можно использовать Туманность Андромеды как гипотетическую модель ближайшей гигантской галактики для иллюстрации нашей идеи нового подхода к динамике процессов в Механике Вселенной, поскольку силы реактивного торможения не носят всеобщего характера, они строго индивидуальны для каждой галактики.

По последним данным, расстояние до Туманности Андромеды от нашей Галактики равно 0,67 Мпк или 2,1·10²² м. Ее масса равна 3,0·10¹¹ М₀ или 6,0·10⁴¹ кг, энергия излучения Е ≈ 6,0·10¹⁰ Е₀ или 2,14·10³⁷ Дж/с.

Поскольку по вопросу лучевой скорости Туманности Андромеды мнения еще не определились, для нашей гипотетической модели при ее вычислениях мы используем уравнение Э.Хаббла: V = HR, где Н – постоянная Хаббла, равная по усредненным данным 75км/с. Мпк, R – расстояние до изучаемого объекта – 0,67 Мпк. Подставляем эти значения в уравнение и получаем: V = 75·0,67 = 50,25 (км/с). Это скорость удаления Туманности Андромеды от нашей Галактики.

В последующих расчетах мы попытаемся определить отрезок времени, необходимый для торможения галактик за счет реактивной энергии излучения, после которого начнется их сближение. Для этих целей использовали уравнения классической физики, которые, по мнению А.Эйнштейна, используются при скоростях движения много меньших скорости света.

Рассчитаем энергию, расходуемую на самоторможение галактики Туманность Андромеды. Для этой цели мы предлагаем использовать уравнения, приведенные Дж. Ориром для иллюстрации эффекта Доплера:

f_A = f_B (источник удаляется)

f_A = f_B (источник приближается)

В этих уравнениях f_A – число импульсов в секунду, регистрируемых детектором; f_B – число импульсов в секунду, испускаемых объектом; V – скорость объекта, с – скорость света.

В данные уравнения вместо числа импульсов подставляем энергию излучения Туманности Андромеды, деленную на 4, поскольку излучение, нормальное к плоскости галактики по ходу и против ее движения составляет 25% от энергии полного излучения.

Определяем величину мощности энергии излучения галактики Туманность Андромеды, которая расходуется на ее торможение в пространстве против хода ее движения (при скорости 50,25 км/с).

Объект удаляется:

Е₁ = (2,14/4)·10³⁷ · √{[1 – (50,25 / 3·10⁵)] / [1 + (50,25 / 3·10⁵)]} = 0,53491·10³⁷ (Дж/с)

Объект приближается:

Е₂ = (2,14/4)·10³⁷ · √{[1 + (50,25 / 3·10⁵)] / [1 – (50,25 / 3·10⁵)]} = 0,53508·10³⁷ (Дж/с)

ΔЕ₁ = Е₂ – Е₁ = 0,53508·10³⁷ – 0,53491·10³⁷ = 0,00017·10³⁷ = 1,7·10³³(Дж/с).

Данная величина мощности энергии излучения ΔЕ₁ ежесекундно расходуется на торможение галактики Туманность Андромеды.

Очевидно, чтобы галактики Млечный Путь и Туманность Андромеды начали сближаться, необходимо снижение скорости удаления галактики Туманность Андромеды несколько ниже 2-й космической скорости по отношению к галактике Млечный Путь. Рассчитаем эту скорость:

V = √(2GM / R) = √[(2 · 6,67·10^–11 · 2,8·10⁴¹) / 2,07·10²²] = 42,48(км/с).

где G – гравитационная постоянная, М – масса галактики Млечный Путь, R – расстояние между галактиками.

Таким образом, настоящая скорость движения галактики Туманность Андромеды выше ее 2-й космической скорости на 7,77км/с.

Определим теперь величину мощности энергии излучения галактики Туманность Андромеды, которая будет расходоваться на торможение в пространстве против хода ее движения при скорости 42,48 км/с.

Е₃ = (2,14·10³⁷/4) · √{[1 – (42,48 / 3·10⁵)] / [1 + (42,48 / 3·10⁵)]} = 0,53492·10³⁷ (Дж/с)

Е₄ = (2,14·10³⁷/4) · √{[1 + (42,48 / 3·10⁵)] / [1 – (42,48 / 3·10⁵)]} = 0,53507·10³⁷ (Дж/с)

ΔЕ₂ = Е₄ – Е₃ = 0,53507·10³⁷ – 0,53492·10³⁷ = 0,00015·10³⁷ = 1,5·10³³(Дж/с).

Рассчитаем, какова будет в среднем мощность энергии излучения галактики Туманность Андромеды, расходуемая на ее торможение от 52,25 км/с до 42,48 км/с.

ΔЕ_ср. = (ΔЕ₁ + ΔЕ₂) / 2 = (1,7·10³³ + 1,5·10³³) / 2 = 1,6·10³³ (Дж/с).

Рассчитаем кинетическую энергию галактики Туманность Андромеды при скоростях 52,25 и 42,48 км/с.

W₁ = mV₁² / 2 = (6,0·10⁴¹ · 50250²) / 2 = 7,57·10⁵⁰ Дж

W₂ = mV₂² / 2 = (6,0·10⁴¹ · 42480²) / 2 = 5,41·10⁵⁰ Дж

ΔW = W₁ – W₂ = (7,57 – 5,41)·10⁵⁰ = 2,16·10⁵⁰ (Дж)

Таким образом, кинетическая энергия Туманности Андромеды при снижении скорости с 50,25 до 42,48 км/с уменьшается на 2,16·10⁵⁰Дж.

Теперь, зная затраты энергии на торможение галактики Туманности Андромеды от 50,25 до 42,48 км/с и располагая средней мощностью реактивной энергии торможения ΔЕ_ср./c, мы можем рассчитать величину отрезка времени, необходимого для снижения скорости галактики до 2-й космической скорости.

t = ΔW / ΔE_ср. = 2,16·10⁵⁰/ 1,6·10³³ = 1,35·10¹⁷ (с) = 4,3·10⁹ (лет)

Следует также принять во внимание, что разбегание галактик сдерживают также силы тяготения, хотя их и недостаточно. Определим вклад сил тяготения в торможение галактики Туманность Андромеды.

Для этого определим среднюю величину ускорения, создаваемого энергией реактивного торможения (а₁):

а₁ = (V_K – V_H) / t = (42,48 – 50,25) / 1,35·10¹⁷ = –5,75·10^–17 (км/с²)

Сделаем допущение, что в пространстве существуют только две галактики – наша и Туманность Андромеды. Определим ускорение замедления движения галактики Туманность Андромеды, создаваемое силами тяготения галактики Млечный Путь (а₂) в настоящее время:

а₂ = –GM / R² = (6,67·10^–11 · 2,8·10⁴¹) / (2,1·10²²)² = –4,23·10^–17 (км/с²)

Однако реальное ускорение в 33 раза меньше этой величины (сказывается взаимовлияние сил тяготения других галактик Вселенной), т.е. во столько же раз, как и соотношение плотности материи Вселенной ρ_кр / ρ_расч. согласно уравнениям Э.Хаббла.

Таким образом, вклад сил тяготения в торможение галактик невелик, и основную роль в этом отношении выполняют силы реактивного торможения за счет внутренней энергии галактик.

При сближении галактик силы реактивного излучения будут выполнять тормозную функцию. Таким образом, подтверждается теория А.Эйнштейна, что наряду с силами Всемирного тяготения существуют силы космического отталкивания между телами. Как показали наши расчеты, такая сила отталкивания создается за счет энергии излучения звездных систем.

Таким образом, расчеты показывают, что расширение Вселенной не бесконечно. В результате реактивного самоторможения галактик за счет их внутренней энергии происходит замедление их скоростей движения в пространстве Вселенной после Большого Взрыва. И через расчетное время они начнут сближаться.

Поскольку звездные системы в большом масштабе рассеяны равномерно, то и сближение их будет происходить синхронно. Предполагаем, что это будет осуществляться в соответствии с рассмотренной моделью на примере галактик Млечный Путь и Туманность Андромеды.

Все это означает, что Вселенная претерпевает определенные этапы в своем развитии, и что нынешнее ее состояние не бесконечно.

С момента Большого Взрыва прошло около 13 млрд. лет. Солнце, Земля и др. планеты Солнечной системы образовались примерно 5млрд. лет назад. Первые признаки жизни на Земле датируются возрастом 4 млрд. лет, а возникновение человека пятьюстами тысячелетий. История Земной цивилизации насчитывает 5...10 тысячелетий.

Таким образом, с момента Большого Взрыва во Вселенной до возникновения разума на Земле прошло примерно 12,5 млрд. лет. Если предположить, а это, по-видимому, верно с большой степенью вероятности, что все процессы во Вселенной идут синхронно, что жизнь и разум во Вселенной широко распространены, и что особенно важно подчеркнуть, они находятся на такой же стадии и уровне развития, как и на Земле. С этих позиций можно разрешить загадку парадокса Ферми и его уравнения, в котором иллюстрируется вероятность встречи землян с разумными существами Вселенной. Ферми предложил уравнение экспоненциального роста технологической цивилизации за время существования Вселенной:

K = exp (T / t) = 10^43000000, где Т = 10¹⁰ лет (время возникновения нынешнего состояния Вселенной), t = 100 лет (время экспоненциального развития современного уровня цивилизации).

Согласно этому уравнению нашу планету должны были бы посещать разумные обитатели других миров бесконечное число раз. Сразу же заметим, что это было бы справедливо, если бы жизнь, разум в различных частях Вселенной возникали в различное время. Если принять во внимание наше предложение, что все процессы во Вселенной происходят синхронно, то тогда напрашивается вывод, что наши собратья по разуму в других мирах находятся на такой же стадии и уровне развития, как и мы. Человек еще только через 10...15 лет достигнет Марса, и чтобы выйти за пределы Солнечной системы и осваивать нашу галактику человечеству понадобятся еще тысячелетия.

Список литературы

Зельдович Я.Б., Новиков И.Д.Строение и эволюция Вселенной. М., Наука, 1975, 736 с.

Новиков И.Д.Эволюция Вселенной. М., Наука, 1990, 192 с.

Futamase T. // Progr. General relativistic disciption of realistic inhomogeneous iniverse. // Progr. Teor. Phys. 1993, 89, №3, р. 581...597.

Бакунин П.И., Кононович Э.В., Мороз В.И.Курс общей астрономии. М., Наука, 1983, 560 с.

Коноплич Р.В., Хлопов М.Ю.Астрофизические ограничения на массу очень тяжелых стабильных нейтрино. // Ядерная физика, 1994, 57, №3, с. 452...458.

Odenwald S., Fienberg T. Galaxy redshifts reconsidered. // Sky and Telesc. 1993, 85, №2, р. 31...35.

Эйнштейн А.Собрание научных трудов в 4-х томах. Том 1. Работы по теории относительности 1905...1920. Вопросы космологии и общая теория относительности. М., Наука, 1965, 696 с.

Орир Дж. Физика в 2-х томах. М., Мир, 1981, 621 с.

Липунов В.М. // Земля и Вселенная, 1995, №1, с. 37...47.

Астрономический календарь. Постоянная часть. Под редакцией П.И. Бакулина. М., 1962, 772 с.

Астрономический календарь. Постоянная часть. Под редакцией П.И. Бакулина. М., 1981, 704 с.

Краткий справочник «Альфа и омега». Таллин, 1991, 446 с.

Саслау У.Гравитационная физика звездных и галактических систем. М., Мир, 1989, 544 с.

Якушев Б.И.Куда летят галактики. Ж.Беларуская думка. Минск, №7, 1998г., с. 154...158.