Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной
Выводы#космологии#основываются#и#на#законах#физики,#и#на#данных#наблюдательной#астрономии.#Как#любая#наука,#космология#в#своей#структуре#кроме#эмпирического#и#теоретического#уровней#имеет#также#уровень#философских#предпосылок,#философских#оснований.#
Так,#в#основании#современной#космологии#лежит#предположение#о#том,#что#законы#природы,#установленные#на#основе#изучения#весьма#ограниченной#части#Вселенной,#чаще#всего#на#основе#опытов#на#планете#Земля,#могут#быть#экстраполированы#на#значительно#большие#области,#в#конечном#счете#-#на#всю#Вселенную.#Это#предположение#об#устойчивости#законов#природы#в#пространстве#и#времени#относится#к#уровню#философских#оснований#современной#космологии.
Цель#моего#реферата#состоит#в#том,#чтоб#разобраться,#что#же##все-таки#представляет#с#себя#вселенная.#В#моем#реферате#поставлены#такие##задачи:
1.#Изучить,#как#произошел#тот#темп#развития#вселенной,#начиная#с#момента#«большого#взрыва»?
2.##Рассмотреть#взгляды#различных#ученых,#философов,#политологов#о#том,#как#расширяется#вселенная?
3.#Исследовать,#почему#Вселенная#начала#расширятся#со#скоростью,#столь#близкой#к#критической,#которая#разделяет#модели#с#повторным#сжатием#и#модели#с#вечным#расширением,#так#что#даже#сейчас,#через#десять#тысяч#миллионов#лет,#Вселенная#продолжает#расширяться#со#скоростью,#примерно#равной#критической?
1.##Модель#Большого#Взрыва
#Модель#эволюционной#истории#Вселенной,#согласно#которой#она#возникла#в#бесконечно#плотном#состоянии#и#с#тех#пор#расширяется.#Это#событие#произошло#от#13#до#20#миллиардов#лет#назад#и#известно#как#"Большой#Взрыв".#Теория#Большого#Взрыва#теперь#общепринята,#так#как#она#объясняет#оба#наиболее#значительных#факта#космологии:#расширяющуюся#Вселенную#и#существование#космического#фонового#излучения.#Можно#воспользоваться#известными#законами#физики#и#просчитать#в#обратном#направлении#все#состояния,#в#которых#находилась#Вселенная,#начиная#с#10-43#секунд#после#Большого#Взрыва.#В#течение#первого#миллиона#лет#вещество#и#энергия#во#Вселенной#сформировали#непрозрачную#плазму,#иногда#называемую#первичным#огненным#шаром.#К#концу#этого#периода#расширение#Вселенной#заставило#температуру#опуститься#ниже#3000#K,#так#что#протоны#и#электроны#смогли#объединяться,#образуя#атомы#водорода.#На#этой#стадии#Вселенная#стала#прозрачной#для#излучения.#Плотность#вещества#теперь#стала#выше#плотности#излучения,#хотя#раньше#ситуация#была#обратной,#что#и#определяло#скорость#расширения#Вселенной.#Фоновое#микроволновое#излучение#-#все,#что#осталось#от#сильно#охлажденного#излучения#ранней#Вселенной.#Первые#галактики#начали#формироваться#из#первичных#облаков#водорода#и#гелия#только#через#один#или#два#миллиарда#лет.#Термин#"Большой#Взрыв"#может#применяться#к#любой#модели#расширяющейся#Вселенной,#которая#в#прошлом#была#горячей#и#плотной.#
1.1.#Гипотетическое#представление#о#Вселенной
Как-то#один#известный#ученый#(#Бертран#Рассел)#читал#публичную#лекцию#об#астрономии.#Он#рассказывал,#как#Земля#вращается#вокруг#Солнца,#а#Солнце,#в#свою#очередь,#вращается#вокруг#центра#огромного#скопления#звезд,#которое#называют#нашей#Галактикой.#Когда#лекция#подошла#к#концу,#из#последних#рядов#зала#поднялась#маленькая#пожилая#леди#и#сказала:#"Все,#что#вы#нам#говорили,#-#чепуха.#На#самом#деле#наш#мир#-#это#плоская#тарелка,#которая#стоит#па#спине#гигантской#черепахи".#Снисходительно#улыбнувшись,#ученый#спросил:#"А#на#чем#держится#черепаха?"#-#"Вы#очень#умны,#молодой#человек,#-#ответила#пожилая#леди.#-#Черепаха#-#на#другой#черепахе,#та#-#тоже#на#черепахе,#и#так#все#ниже#и#ниже".#
Такое#представление#о#Вселенной#как#о#бесконечной#башне#из#черепах#большинству#из#нас#покажется#смешным,#но#почему#мы#думаем,#что#сами#знаем#лучше?#Что#нам#известно#о#Вселенной,#и#как#мы#это#узнали?#Откуда#взялась#Вселенная,#и#что#с#ней#станется?#Было#ли#у#Вселенной#начало,#а#если#было,#то#что#происходило#до#начала?#Какова#сущность#времени?#Кончится#ли#оно#когда-нибудь?#Достижения#физики#последних#лет,#которыми#мы#частично#обязаны#фантастической#новой#технике,#позволяют#наконец#получить#ответы#хотя#бы#на#отдельные#из#таких#давно#поставленных#вопросов.#Пройдет#время,#и#эти#ответы,#может#быть,#станут#столь#же#очевидными,#как-то,#что#Земля#вращается#вокруг#Солнца,#а#может#быть,#столь#же#нелепыми,#как#башня#из#черепах.#Только#время#(чем#бы#оно#ни#было)#решит#это.#
Еще#в#340#г.#до#н.#э.#греческий#философ#Аристотель#в#своей#книге#"О#небе"#привел#два#веских#довода#в#пользу#того,#что#Земля#не#плоская#тарелка,#а#круглый#шар.#Во-первых,#Аристотель#догадался,#что#лунные#затмения#происходят#тогда,#когда#Земля#оказывается#между#Луной#и#Солнцем.#Земля#всегда#отбрасывает#на#Луну#круглую#тень,#а#это#может#быть#лишь#в#том#случае,#если#Земля#имеет#форму#шара.#Будь#Земля#плоским#диском,#ее#тень#имела#бы#форму#вытянутого#эллипса,#если#только#затмение#не#происходит#всегда#именно#в#тот#момент,#когда#Солнце#находится#точно#на#оси#диска.#Во-вторых,#по#опыту#своих#путешествий#греки#знали,#что#в#южных#районах#Полярная#звезда#на#небе#располагается#ниже,#чем#в#северных.#(Поскольку#Полярная#звезда#находится#над#Северным#полюсом,#она#будет#прямо#над#головой#наблюдателя,#стоящего#на#Северном#полюсе,#а#человеку#на#экваторе#покажется,#что#она#на#линии#горизонта).#Зная#разницу#в#кажущемся#положении#Полярной#звезды#в#Египте#и#Греции,#Аристотель#сумел#даже#вычислить,#что#длина#экватора#равна#400#000#стадиев.#Что#такое#стадий,#точно#неизвестно,#но#он#близок#к#200#метрам,#и,#стало#быть,#оценка#Аристотеля#примерно#в#2#раза#больше#значения,#принятого#сейчас.#У#греков#был#еще#и#третий#довод#в#пользу#шарообразной#формы#Земли:#если#Земля#не#круглая,#то#почему#же#мы#сначала#видим#паруса#корабля,#поднимающиеся#над#горизонтом,#и#только#потом#сам#корабль?#
Аристотель#думал,#что#Земля#неподвижна,#а#Солнце,#Луна,#планеты#и#звезды#вращаются#вокруг#нее#по#круговым#орбитам.#Он#так#полагал,#ибо#в#соответствии#со#своими#мистическими#воззрениями#Землю#считал#центром#Вселенной,#а#круговое#движение#-#самым#совершенным.#Птолемей#во#II#веке#развил#идею#Аристотеля#в#полную#космологическую#модель.#Земля#стоит#в#центре,#окруженная#восемью#сферами,#несущими#на#себе#Луну,#Солнце#и#пять#известных#тогда#планет:#Меркурий,#Венеру,#Марс,#Юпитер#и#Сатурн#(рис.#1.1).#Сами#планеты,#считал#Птолемей,#движутся#по#меньшим#кругам,#скрепленным#с#соответствующими#сферами.#Это#объясняло#тот#весьма#сложный#путь,#который,#как#мы#видим,#совершают#планеты.#На#самой#последней#сфере#располагаются#неподвижные#звезды,#которые,#оставаясь#в#одном#и#том#же#положении#друг#относительно#друга,#движутся#по#небу#все#вместе#как#единое#целое.#Что#лежит#за#последней#сферой,#не#объяснялось,#но#во#всяком#случае#это#уже#не#было#частью#той#Вселенной,#которую#наблюдает#человечество.
Модель#Птолемея#позволяла#неплохо#предсказывать#положение#небесных#тел#на#небосводе,#но#для#точного#предсказания#ему#пришлось#принять,#что#траектория#Луны#в#одних#местах#подходит#к#Земле#в#2#раза#ближе,#чем#в#других!#Это#означает,#что#в#одном#положении#Луна#должна#казаться#в#2#раза#большей,#чем#в#другом!#Птолемей#знал#об#этом#недостатке,#но#тем#не#менее#его#теория#была#признана,#хотя#и#не#везде.#Христианская#Церковь#приняла#Птолемееву#модель#Вселенной#как#не#противоречащую#Библии,#ибо#эта#модель#была#очень#хороша#тем,#что#оставляла#за#пределами#сферы#неподвижных#звезд#много#места#для#ада#и#рая.#Однако#в#1514#г.#польский#священник#Николай#Коперник#предложил#еще#более#простую#модель.#(Вначале,#опасаясь,#наверное,#того,#что#Церковь#объявит#его#еретиком,#Коперник#пропагандировал#свою#модель#анонимно).#Его#идея#состояла#в#том,#что#Солнце#стоит#неподвижно#в#центре,#а#Земля#и#другие#планеты#обращаются#вокруг#него#по#круговым#орбитам.#Прошло#почти#столетие,#прежде#чем#идею#Коперника#восприняли#серьезно.#Два#астронома#-#немец#Иоганн#Кеплер#и#итальянец#Галилео#Галилей#-#публично#выступили#в#поддержку#теории#Коперника,#несмотря#на#то#что#предсказанные#Коперником#орбиты#не#совсем#совпадали#с#наблюдаемыми.#Теории#Аристотеля-#Птолемея#пришел#конец#в#1609#г.,#когда#Галилей#начал#наблюдать#ночное#тения,#согласно#которому#всякое#тело#во#Вселенной#притягивается#к#любому#другому#телу#с#тем#большей#силой,#чем#больше#массы#этих#тел#и#чем#меньше#расстояние#между#ними.#Это#та#самая#сила,#которая#заставляет#тела#падать#на#землю.#(Рассказ#о#том,#что#Ньютона#вдохновило#яблоко,#упавшее#ему#на#голову,#почти#наверняка#недостоверен.#Сам#Ньютон#сказал#об#этом#лишь#то,#что#мысль#о#тяготении#пришла,#когда#он#сидел#в#"созерцательном#настроении",#и#"поводом#было#падение#яблока").#Далее#Ньютон#показал,#что,#согласно#его#закону,#Луна#под#действием#гравитационных#сил#движется#по#эллиптической#орбите#вокруг#Земли,#а#Земля#и#планеты#вращаются#по#эллиптическим#орбитам#вокруг#Солнца.#
Модель#Коперника#помогла#избавиться#от#Птолемеевых#небесных#сфер,#а#заодно#и#от#представления#о#том,#что#Вселенная#имеет#какую-то#естественную#границу.#Поскольку#"неподвижные#звезды"#не#изменяют#своего#положения#на#небе,#если#не#считать#их#кругового#движения,#связанного#с#вращением#Земли#вокруг#своей#оси,#естественно#было#предположить,#что#неподвижные#звезды#-#это#объекты,#подобные#нашему#Солнцу,#только#гораздо#более#удаленные.#
Ньютон#понимал,#что#по#его#теории#тяготения#звезды#должны#притягиваться#друг#к#другу#и#поэтому,#казалось#бы,#не#могут#оставаться#совсем#неподвижными.#Не#должны#ли#они#упасть#друг#на#друга,#сблизившись#в#какой-то#точке?#В#1691#г.#в#письме#Ричарду#Бентли,#еще#одному#выдающемуся#мыслителю#того#времени,#Ньютон#говорил,#что#так#действительно#должно#было#бы#произойти,#если#бы#у#нас#было#лишь#конечное#число#звезд#в#конечной#области#пространства.#Но,#рассуждал#Ньютон,#если#число#звезд#бесконечно#и#они#более#или#менее#равномерно#распределены#по#бесконечному#пространству,#то#этого#никогда#не#произойдет,#так#как#нет#центральной#точки,#куда#им#нужно#было#бы#падать.#
Эти#рассуждения#-#пример#того,#как#легко#попасть#впросак,#ведя#разговоры#о#бесконечности.#В#бесконечной#Вселенной#любую#точку#можно#считать#центром,#так#как#по#обе#стороны#от#нее#число#звезд#бесконечно.#Лишь#гораздо#позже#поняли,#что#более#правильный#подход#-#взять#конечную#систему,#в#которой#все#звезды#падают#друг#на#друга,#стремясь#к#центру,#и#посмотреть,#какие#будут#изменения,#если#добавлять#еще#и#еще#звезд,#распределенных#приблизительно#равномерно#вне#рассматриваемой#области.#По#закону#Ньютона#дополнительные#звезды#в#среднем#никак#не#повлияют#на#первоначальные,#т.#е.#звезды#будут#с#той#же#скоростью#падать#в#центр#выделенной#области.#Сколько#бы#звезд#мы#ни#добавили,#они#всегда#будут#стремиться#к#центру.#В#наше#время#известно,#что#бесконечная#статическая#модель#Вселенной#невозможна,#если#гравитационные#силы#всегда#остаются#силами#взаимного#притяжения.#
Интересно,#каким#было#общее#состояние#научной#мысли#до#начала#XX#в.:#никому#и#в#голову#не#пришло,#что#Вселенная#может#расширяться#или#сжиматься.#Все#считали,#что#Вселенная#либо#существовала#всегда#в#неизменном#состоянии,#либо#была#сотворена#в#какой-то#момент#времени#в#прошлом#примерно#такой,#какова#она#сейчас.#Отчасти#это,#может#быть,#объясняется#склонностью#людей#верить#в#вечные#истины,#а#также#особой#притягательностью#той#мысли,#что,#пусть#сами#они#состарятся#и#умрут,#Вселенная#останется#вечной#и#неизменной.#
Даже#тем#ученым,#которые#поняли,#что#ньютоновская#теория#тяготения#делает#невозможной#статическую#Вселенную,#не#приходила#в#голову#гипотеза#расширяющейся#Вселенной.#Они#попытались#модифицировать#теорию,#сделав#гравитационную#силу#отталкивающей#на#очень#больших#расстояниях.#Это#практически#не#меняло#предсказываемого#движения#планет,#но#зато#позволяло#бесконечному#распределению#звезд#оставаться#в#равновесии,#так#как#притяжение#близких#звезд#компенсировалось#отталкиванием#от#далеких.#Но#сейчас#мы#считаем,#что#такое#равновесие#оказалось#бы#неустойчивым.#В#самом#деле,#если#в#какой-то#области#звезды#чуть-чуть#сблизятся,#то#силы#притяжения#между#ними#возрастут#и#станут#больше#сил#отталкивания,#так#что#звезды#будут#и#дальше#сближаться.#Если#же#расстояние#между#звездами#чуть-чуть#увеличится,#то#перевесят#силы#отталкивания#и#расстояние#будет#нарастать.#
Еще#одно#возражение#против#модели#бесконечной#статической#Вселенной#обычно#приписывается#немецкому#философу#Генриху#Олберсу,#который#в#1823#г.#опубликовал#работу,#посвященную#этой#модели.#На#самом#деле#многие#современники#Ньютона#занимались#той#же#задачей,#и#статья#Олберса#была#даже#не#первой#среди#работ,#в#которых#высказывались#серьезные#возражения.#Ее#лишь#первой#стали#широко#цитировать.#Возражение#таково:#в#бесконечной#статической#Вселенной#любой#луч#зрения#должен#упираться#в#какую-нибудь#звезду.#Но#тогда#небо#даже#ночью#должно#ярко#светиться,#как#Солнце.#Контраргумент#Олберса#состоял#в#том,#что#свет,#идущий#к#нам#от#далеких#звезд,#должен#ослабляться#из-за#поглощения#в#находящемся#на#его#пути#веществе.#
Но#в#таком#случае#само#это#вещество#должно#нагреться#и#ярко#светиться,#как#звезды.#Единственная#возможность#избежать#вывода#о#ярко,#как#Солнце,#светящемся#ночном#небе#-#предположить,#что#звезды#сияли#не#всегда,#а#загорелись#в#какой-то#определенный#момент#времени#в#прошлом.#Тогда#поглощающее#вещество,#возможно,#еще#не#успело#разогреться#или#же#свет#далеких#звезд#еще#не#дошел#до#нас.#Но#возникает#вопрос:#почему#зажглись#звезды?#
Конечно,#проблема#возникновения#Вселенной#занимала#умы#людей#уже#очень#давно.#Согласно#ряду#ранних#космогонии#и#иудейско-христианско-мусульманским#мифам,#наша#Вселенная#возникла#в#какой-то#определенный#и#не#очень#отдаленный#момент#времени#в#прошлом.#Одним#из#оснований#таких#верований#была#потребность#найти#"первопричину"#существования#Вселенной.#Любое#событие#во#Вселенной#объясняют,#указывая#его#причину,#т.#е.#другое#событие,#произошедшее#раньше;#подобное#объяснение#существования#самой#Вселенной#возможно#лишь#в#том#случае,#если#у#нее#было#начало.#Другое#основание#выдвинул#Блаженный#Августин#(православная#Церковь#считает#Августина#блаженным,#а#Католическая#-#святым.#-#прим.#ред.).#в#книге#"Град#Божий".#Он#указал#на#то,#что#цивилизация#прогрессирует,#а#мы#помним,#кто#совершил#то#или#иное#деяние#и#кто#что#изобрел.#Поэтому#человечество,#а#значит,#вероятно,#и#Вселенная,#вряд#ли#очень#долго#существуют.#Блаженный#Августин#считал#приемлемой#дату#сотворения#Вселенной,#соответствующую#книге#"Бытия":#приблизительно#5000#год#до#нашей#эры.#(Интересно,#что#эта#дата#не#так#уж#далека#от#конца#последнего#ледникового#периода#-#10#000#лет#до#н.#э.,#который#археологи#считают#началом#цивилизации).#
Аристотелю#же#и#большинству#других#греческих#философов#не#нравилась#идея#сотворения#Вселенной,#так#как#она#связывалась#с#божественным#вмешательством.#Поэтому#они#считали,#что#люди#и#окружающий#их#мир#существовали#и#будут#существовать#вечно.#Довод#относительно#прогресса#цивилизации#ученые#древности#рассматривали#и#решили,#что#в#мире#периодически#происходили#потопы#и#другие#катаклизмы,#которые#все#время#возвращали#человечество#к#исходной#точке#цивилизации.#
Вопросы#о#том,#возникла#ли#Вселенная#в#какой-то#начальный#момент#времени#и#ограничена#ли#она#в#пространстве,#позднее#весьма#пристально#рассматривал#философ#Иммануил#Кант#в#своем#монументальном#(и#очень#темном)#труде#"Критика#чистого#разума",#который#был#издан#в#1781#г.#Он#назвал#эти#вопросы#антиномиями#(т.#е.#противоречиями)#чистого#разума,#так#как#видел,#что#в#равной#мере#нельзя#ни#доказать,#ни#опровергнуть#ни#тезис#о#необходимости#начала#Вселенной,#ни#антитезис#о#ее#вечном#существовании.#Тезис#Кант#аргументировал#тем,#что#если#бы#у#Вселенной#не#было#начала,#то#всякому#событию#предшествовал#бы#бесконечный#период#времени,#а#это#Кант#считал#абсурдом.#В#поддержку#антитезиса#Кант#говорил,#что#если#бы#Вселенная#имела#начало,#то#ему#предшествовал#бы#бесконечный#период#времени,#а#тогда#спрашивается,#почему#Вселенная#вдруг#возникла#в#тот,#а#не#другой#момент#времени?#На#самом#деле#аргументы#Канта#фактически#одинаковы#и#для#тезиса,#и#для#антитезиса.#Он#исходит#из#молчаливого#предположения,#что#время#бесконечно#в#прошлом#независимо#от#того,#существовала#или#не#существовала#вечно#Вселенная.#Как#мы#увидим#ниже,#до#возникновения#Вселенной#понятие#времени#лишено#смысла.#
Когда#большинство#людей#верило#в#статическую#и#неизменную#Вселенную,#вопрос#о#том,#имела#она#начало#или#нет,#относился,#в#сущности,#к#области#метафизики#и#теологии.#Все#наблюдаемые#явления#можно#было#объяснить#как#с#помощью#теории,#в#которой#Вселенная#существует#вечно,#так#и#с#помощью#теории,#согласно#которой#Вселенную#сотворили#в#какой-то#определенный#момент#времени#таким#образом,#чтобы#все#выглядело,#как#если#бы#она#существовала#вечно.#Но#в#1929#г.#Эдвин#Хаббл#сделал#эпохальное#открытие:#оказалось,#что#в#какой#бы#части#неба#ни#вести#наблюдения,#все#далекие#галактики#быстро#удаляются#от#нас.#Иными#словами,#Вселенная#расширяется.#Это#означает,#что#в#более#ранние#времена#все#объекты#были#ближе#друг#к#другу,#чем#сейчас.#Значит,#было,#по-видимому,#время,#около#десяти#или#двадцати#тысяч#миллионов#лет#назад,#когда#они#все#находились#в#одном#месте,#так#что#плотность#Вселенной#была#бесконечно#большой.#Сделанное#Хабблом#открытие#перевело#вопрос#о#том,#как#возникла#Вселенная,#в#область#компетенции#науки.#
Наблюдения#Хаббла#говорили#о#том,#что#было#время#-#так#называемый#большой#взрыв,#когда#Вселенная#была#бесконечно#малой#и#бесконечно#плотной.#При#таких#условиях#все#законы#науки#теряют#смысл#и#не#позволяют#предсказывать#будущее.#Если#в#еще#более#ранние#времена#и#происходили#какие-либо#события,#они#все#равно#никак#не#смогли#бы#повлиять#на#то,#что#происходит#сейчас.#Из-за#отсутствия#же#наблюдаемых#следствий#ими#можно#просто#пренебречь.#Большой#взрыв#можно#считать#началом#отсчета#времени#в#том#смысле,#что#более#ранние#времена#были#бы#просто#не#определены.#Подчеркнем,#что#такое#начало#отсчета#времени#очень#сильно#отличается#от#всего#того,#что#предлагалось#до#Хаббла.#Начало#времени#в#неизменяющейся#Вселенной#есть#нечто,#что#должно#определяться#чем-то,#существующим#вне#Вселенной;#для#начала#Вселенной#нет#физической#необходимости.#Сотворение#Богом#Вселенной#можно#в#своем#представлении#относить#к#любому#моменту#времени#в#прошлом.#Если#же#Вселенная#расширяется,#то#могут#существовать#физические#причины#для#того,#чтобы#она#имела#начало.#Можно#по-прежнему#представлять#себе,#что#именно#Бог#создал#Вселенную#-#в#момент#большого#взрыва#или#даже#позднее#(но#так,#как#если#бы#произошел#большой#взрыв).#Однако#было#бы#абсурдно#утверждать,#что#Вселенная#возникла#раньше#большого#взрыва.#Представление#о#расширяющейся#Вселенной#не#исключает#создателя,#но#налагает#ограничения#на#возможную#дату#его#трудов!#
###Поскольку#уже#существующих#частных#теорий#вполне#достаточно,#чтобы#делать#точные#предсказания#во#всех#ситуациях,#кроме#самых#экстремальных,#поиск#окончательной#теории#Вселенной#не#отвечает#требованиям#практической#целесообразности.#(Заметим,#однако,#что#аналогичные#возражения#можно#было#бы#выдвинуть#против#теории#относительности#и#квантовой#механики,#а#ведь#именно#эти#теории#произвели#революцию#в#ядерной#физике#и#в#микроэлектронике!)#Таким#образом,#открытие#полной#единой#теории,#может#быть,#не#будет#способствовать#выживанию#и#даже#никак#не#повлияет#на#течение#нашей#жизни.#Но#уже#на#заре#цивилизации#людям#не#нравились#необъяснимые#и#не#связанные#между#собой#события,#и#они#страстно#желали#понять#тот#порядок,#который#лежит#в#основе#нашего#мира.#По#сей#день#мы#мечтаем#узнать,#почему#мы#здесь#оказались#и#откуда#взялись.#Стремление#человечества#к#знанию#является#для#нас#достаточным#оправданием,#чтобы#продолжать#поиск.#А#наша#конечная#цель#-#никак#не#меньше,#чем#полное#описание#Вселенной,#в#которой#мы#обитаем.
1.2#Расширяющаяся#Вселенная
Если#в#ясную#безлунную#ночь#посмотреть#на#небо,#то,#скорее#всего,#самыми#яркими#объектами,#которые#вы#увидите,#будут#планеты#Венера,#Марс,#Юпитер#и#Сатурн.#Кроме#того,#вы#увидите#огромное#количество#звезд,#похожих#на#наше#Солнце,#но#находящихся#гораздо#дальше#от#нас.#При#вращении#Земли#вокруг#Солнца#некоторые#из#этих#"неподвижных"#звезд#чуть-чуть#меняют#свое#положение#относительно#друг#друга,#т.#е.#на#самом#деле#они#вовсе#не#неподвижны!#Дело#в#том,#что#они#несколько#ближе#к#нам,#чем#другие.#Поскольку#же#Земля#вращается#вокруг#Солнца,#близкие#звезды#видны#все#время#в#разных#точках#фона#более#удаленных#звезд.#Благодаря#этому#можно#непосредственно#измерить#расстояние#от#нас#до#этих#звезд:#чем#они#ближе,#тем#сильнее#заметно#их#перемещение.#Самая#близкая#звезда,#называемая#Проксимой#Центавра,#находится#от#нас#на#расстоянии#приблизительно#четырех#световых#лет#(т.#е.#свет#от#нее#идет#до#Земли#около#четырех#лет),#или#около#37#миллионов#километров.#Большинство#звезд,#видимых#невооруженным#глазом,#удалены#от#нас#на#несколько#сотен#световых#лет.#Сравните#это#с#расстоянием#до#нашего#Солнца,#составляющим#всего#восемь#световых#минут!#Видимые#звезды#рассыпаны#но#всему#ночному#небу,#но#особенно#густо#в#той#полосе,#которую#мы#называем#Млечным#Путем.#Еще#в#1750#г.#некоторые#астрономы#высказывали#мысль,#что#существование#Млечного#Пути#объясняется#тем,#что#большая#часть#видимых#звезд#образует#одну#дискообразную#конфигурацию#-#пример#того,#что#сейчас#называется#спиральной#галактикой.#Лишь#через#несколько#десятилетий#астроном#Уильям#Гершель#подтвердил#это#предположение,#выполнив#колоссальную#работу#но#составлению#каталога#положений#огромного#количества#звезд#и#расстояний#до#них.#Но#даже#после#этого#представление#о#спиральных#галактиках#было#принято#всеми#лишь#в#начале#нашего#века.#
Современная#картина#Вселенной#возникла#только#в#1924#г.,#когда#американский#астроном#Эдвин#Хаббл#показал,#что#наша#Галактика#не#единственная.#На#самом#деле#существует#много#других#галактик,#разделенных#огромными#областями#пустого#пространства.#Для#доказательства#Хабблу#требовалось#определить#расстояния#до#этих#галактик,#которые#настолько#велики,#что,#в#отличие#от#положений#близких#звезд,#видимые#положения#галактик#действительно#не#меняются.#Поэтому#для#измерения#расстояний#Хаббл#был#вынужден#прибегнуть#к#косвенным#методам.#Видимая#яркость#звезды#зависит#от#двух#факторов:#от#того,#какое#количество#света#излучает#звезда#(се#светимости),#и#от#того,#гдe#она#находится.#Яркость#близких#звезд#и#расстояние#до#них#мы#можем#измерить;#следовательно,#мы#можем#вычислить#и#их#светимость.#И#наоборот,#зная#светимость#звезд#в#других#галактиках,#мы#могли#бы#вычислить#расстояние#до#них,#измерив#их#видимую#яркость.#Хаббл#заметил,#что#светимость#некоторых#типов#звезд#всегда#одна#и#та#же,#когда#они#находятся#достаточно#близко#для#того,#чтобы#можно#было#производить#измерения.#Следовательно,#рассуждал#Хаббл,#если#такие#звезды#обнаружатся#в#другой#галактике,#то,#предположив#у#них#такую#же#светимость,#мы#сумеем#вычислить#расстояние#до#этой#галактики.#Если#подобные#расчеты#для#нескольких#звезд#одной#и#той#же#галактики#дадут#один#и#тот#же#результат,#то#полученную#оценку#расстояния#можно#считать#надежной.
Таким#путем#Хаббл#рассчитал#расстояния#до#девяти#разных#галактик.#Теперь#известно,#что#наша#Галактика#-#одна#из#нескольких#сотен#тысяч#миллионов#галактик,#которые#можно#наблюдать#в#современные#телескопы,#а#каждая#из#этих#галактик#в#свою#очередь#содержит#сотни#тысяч#миллионов#звезд.#На#рис.#3.1#показано,#какой#увидел#бы#нашу#Галактику#наблюдатель,#живущий#в#какой-нибудь#другой#галактике.#Наша#Галактика#имеет#около#ста#тысяч#световых#лет#в#поперечнике.#Она#медленно#вращается,#а#звезды#в#ее#спиральных#рукавах#каждые#несколько#сотен#миллионов#лет#делают#примерно#один#оборот#вокруг#ее#центра.#Наше#Солнце#представляет#собой#обычную#желтую#звезду#средней#величины,#расположенную#на#внутренней#стороне#одного#из#спиральных#рукавов.#Какой#же#огромный#путь#мы#прошли#от#Аристотеля#и#Птолемея,#когда#Земля#считалась#центром#Вселенной!#
#в#ее#атмосфере.#
В#20-х#годах,#когда#астрономы#начали#исследование#спектров#звезд#других#галактик,#обнаружилось#нечто#еще#более#странное:#в#нашей#собственной#Галактике#оказались#те#же#самые#характерные#наборы#отсутствующих#цветов,#что#и#у#звезд,#но#все#они#были#сдвинуты#на#одну#и#ту#же#величину#к#красному#концу#спектра.#Чтобы#понять#смысл#сказанного,#следует#сначала#разобраться#с#эффектом#Доплера.#Как#мы#уже#знаем,#видимый#свет#-#это#колебания,#или#волны#электромагнитного#поля.#Частота#(число#волн#в#одну#секунду)#световых#колебаний#чрезвычайно#высока#-#от#четырехсот#до#семисот#миллионов#волн#в#секунду.#Человеческий#глаз#воспринимает#свет#разных#частот#как#разные#цвета,#причем#самые#низкие#частоты#соответствуют#красному#концу#спектра,#а#самые#высокие#-#фиолетовому.#Представим#себе#источник#света,#расположенный#на#фиксированном#расстоянии#от#нас#(например,#звезду),#излучающий#с#постоянной#частотой#световые#волны.#Очевидно,#что#частота#приходящих#волн#будет#такой#же,#как#та,#с#которой#они#излучаются#(пусть#гравитационное#поле#галактики#невелико#и#его#влияние#несущественно).#Предположим#теперь,#что#источник#начинает#двигаться#в#нашу#сторону.#При#испускании#следующей#волны#источник#окажется#ближе#к#нам,#а#потому#время,#за#которое#гребень#этой#волны#до#нас#дойдет,#будет#меньше,#чем#в#случае#неподвижной#звезды.#Стало#быть,#время#между#гребнями#двух#пришедших#волн#будет#меньше,#а#число#волн,#принимаемых#нами#за#одну#секунду#(т.#е.#частота),#будет#больше,#чем#когда#звезда#была#неподвижна.#При#удалении#же#источника#частота#приходящих#волн#будет#меньше.#Это#означает,#что#спектры#удаляющихся#звезд#будут#сдвинуты#к#красному#концу#(красное#смещение),#а#спектры#приближающихся#звезд#должны#испытывать#фиолетовое#смещение.#Такое#соотношение#между#скоростью#и#частотой#называется#эффектом#Доплера,#и#этот#эффект#обычен#даже#в#нашей#повседневной#жизни.#Прислушайтесь#к#тому,#как#идет#по#шоссе#машина:#когда#она#приближается,#звук#двигателя#выше#(т.#е.#выше#частота#испускаемых#им#звуковых#волн),#а#когда,#проехав#мимо,#машина#начинает#удаляться,#звук#становится#ниже.#Световые#волны#и#радиоволны#ведут#себя#аналогичным#образом.#Эффектом#Доплера#пользуется#полиция,#определяя#издалека#скорость#движения#автомашин#по#частоте#радиосигналов,#отражающихся#от#них.#Доказав,#что#существуют#другие#галактики,#Хаббл#все#последующие#годы#посвятил#составлению#каталогов#расстояний#до#этих#галактик#и#наблюдению#их#спектров.#В#то#время#большинство#ученых#считали,#что#движение#галактик#происходит#случайным#образом#и#поэтому#спектров,#смещенных#в#красную#сторону,#должно#наблюдаться#столько#же,#сколько#и#смещенных#в#фиолетовую.#Каково#же#было#удивление,#когда#у#большей#части#галактик#обнаружилось#красное#смещение#спектров,#т.#е.#оказалось,#что#почти#все#галактики#удаляются#от#нас!#Еще#более#удивительным#было#открытие,#опубликованное#Хабблом#в#1929#г.:#Хаббл#обнаружил,#что#даже#величина#красного#смещения#не#случайна,#а#прямо#пропорциональна#расстоянию#от#нас#до#галактики.#Иными#словами,#чем#дальше#находится#галактика,#тем#быстрее#она#удаляется!#А#это#означало,#что#Вселенная#не#может#быть#статической,#как#думали#раньше,#что#на#самом#деле#она#непрерывно#расширяется#и#расстояния#между#галактиками#все#время#растут.#
Открытие#расширяющейся#Вселенной#было#одним#из#великих#интеллектуальных#переворотов#двадцатого#века.#Задним#числом#мы#можем#лишь#удивляться#тому,#что#эта#идея#не#пришла#никому#в#голову#раньше.#Ньютон#и#другие#ученые#должны#были#бы#сообразить,#что#статическая#Вселенная#вскоре#обязательно#начала#бы#сжиматься#под#действием#гравитации.#Но#предположим,#что#Вселенная,#наоборот,#расширяется.#Если#бы#расширение#происходило#достаточно#медленно,#то#под#действием#гравитационной#силы#оно#в#конце#концов#прекратилось#бы#и#перешло#в#сжатие.#Однако#если#бы#скорость#расширения#превышала#некоторое#критическое#значение,#то#гравитационного#взаимодействия#не#хватило#бы,#чтобы#остановить#расширение,#и#оно#продолжалось#бы#вечно.#Все#это#немного#напоминает#ситуацию,#возникающую,#когда#с#поверхности#Земли#запускают#вверх#ракету.#Если#скорость#ракеты#не#очень#велика,#то#из-за#гравитации#она#в#конце#концов#остановится#и#начнет#падать#обратно.#Если#же#скорость#ракеты#больше#некоторой#критической#(около#одиннадцати#километров#в#секунду),#то#гравитационная#сила#не#сможет#ее#вернуть,#и#ракета#будет#вечно#продолжать#свое#движение#от#Земли.#Расширение#Вселенной#могло#быть#предсказано#на#основе#ньютоновской#теории#тяготения#в#XIX,#XVIII#и#даже#в#конце#XVII#века.#Однако#вера#в#статическую#Вселенную#была#столь#велика,#что#жила#в#умах#еще#в#начале#нашего#века.#Даже#Эйнштейн,#разрабатывая#в#1915#г.#общую#теорию#относительности,#был#уверен#в#статичности#Вселенной.#Чтобы#не#вступать#в#противоречие#со#статичностью,#Эйнштейн#модифицировал#свою#теорию,#введя#в#уравнения#так#называемую#космологическую#постоянную.#Он#ввел#новую#"антигравитационную"#силу,#которая#в#отличие#от#других#сил#не#порождалась#каким-либо#источником,#а#была#заложена#в#саму#структуру#пространства-времени.#Эйнштейн#утверждал,#что#пространство-время#само#по#себе#всегда#расширяется#и#этим#расширением#точно#уравновешивается#притяжение#всей#остальной#материи#во#Вселенной,#так#что#в#результате#Вселенная#оказывается#статической.#По-видимому,#лишь#один#человек#полностью#поверил#в#общую#теорию#относительности:#пока#Эйнштейн#и#другие#физики#думали#над#тем,#как#обойти#не#статичность#Вселенной,#предсказываемую#этой#теорией,#русский#физик#и#математик#А.#А.#Фридман,#наоборот,#занялся#ее#объяснением.#
Фридман#сделал#два#очень#простых#исходных#предположения:#во-первых,#Вселенная#выглядит#одинаково,#в#каком#бы#направлении#мы#ее#ни#наблюдали,#и#во-вторых,#это#утверждение#должно#оставаться#справедливым#и#в#том#случае,#если#бы#мы#производили#наблюдения#из#какого-нибудь#другого#места.#Не#прибегая#ни#к#каким#другим#предположениям,#Фридман#показал,#что#Вселенная#не#должна#быть#статической.#В#1922#г.,#за#несколько#лет#до#открытия#Хаббла,#Фридман#в#точности#предсказал#его#результат!#
Предположение#об#одинаковости#Вселенной#во#всех#направлениях#на#самом#деле,#конечно,#не#выполняется.#Как#мы,#например,#уже#знаем,#другие#звезды#в#нашей#Галактике#образуют#четко#выделяющуюся#светлую#полосу,#которая#идет#пo#всему#небу#ночью#-#Млечный#Путь.#Нo#если#говорить#о#далеких#галактиках,#то#их#число#во#всех#направлениях#примерно#одинаково.#Следовательно,#Вселенная#действительно#"примерно"#одинакова#во#всех#направлениях#-#при#наблюдении#в#масштабе,#большом#по#сравнению#с#расстоянием#между#галактиками,#когда#отбрасываются#мелкомасштабные#различия.#
Правда,#на#первый#взгляд,#тот#факт,#что#Вселенная#кажется#нам#одинаковой#во#всех#направлениях,#может#говорить#о#какой-то#выделенности#нашего#местоположения#во#Вселенной.#В#частности,#раз#мы#видим,#что#все#остальные#галактики#удаляются#от#нас,#значит,#мы#находимся#в#центре#Вселенной.#Но#есть#и#другое#объяснение:#Вселенная#будет#выглядеть#одинаково#во#всех#направлениях#и#в#том#случае,#если#смотреть#на#нее#из#какой-нибудь#другой#галактики.#Это,#как#мы#знаем,#вторая#гипотеза#Фридмана.#У#нас#нет#научных#доводов#ни#за,#ни#против#этого#предположения,#и#мы#приняли#его,#так#сказать,#из#скромности:#было#бы#крайне#странно,#если#бы#Вселенная#казалась#одинаковой#во#всех#направлениях#только#вокруг#нас,#а#в#других#ее#точках#этого#не#было!#В#модели#Фридмана#все#галактики#удаляются#друг#от#друга.#Это#вроде#бы#как#надутый#шарик,#на#который#нанесены#точки,#если#его#все#больше#надувать.#Расстояние#между#любыми#двумя#точками#увеличивается,#но#ни#одну#из#них#нельзя#назвать#центром#расширения.#Притом#чем#больше#расстояние#между#точками,#тем#быстрее#они#удаляются#друг#от#друга.#Но#и#в#модели#Фридмана#скорость,#с#которой#любые#две#галактики#удаляются#друг#от#друга,#пропорциональна#расстоянию#между#ними.#Таким#образом,#модель#Фридмана#предсказывает,#что#красное#смешение#галактики#должно#быть#прямо#пропорционально#ее#удаленности#от#нас,#в#точном#соответствии#с#открытием#Хаббла.#Несмотря#на#успех#этой#модели#и#на#согласие#ее#предсказаний#с#наблюдениями#Хаббла,#работа#Фридмана#оставалась#неизвестной#на#Западе,#и#лишь#в#1935#г.#американский#физик#Говард#Робертсон#и#английский#математик#Артур#Уолкер#предложили#сходные#модели#в#связи#с#открытием#Хаббла.
Сам#Фридман#рассматривал#только#одну#модель,#но#можно#указать#три#разные#модели,#для#которых#выполняются#оба#фундаментальных#предположения#Фридмана.#В#модели#первого#типа#(открытой#самим#Фридманом)#Вселенная#расширяется#достаточно#медленно#для#того,#чтобы#в#силу#гравитационного#притяжения#между#различными#галактиками#расширение#Вселенной#замедлялось#и#в#конце#концов#прекращалось.#После#этого#галактики#начинают#приближаться#друг#к#другу,#и#Вселенная#начинает#сжиматься.#На#рис.#3.2#показано,#как#меняется#со#временем#расстояние#между#двумя#соседними#галактиками.#Оно#возрастает#от#нуля#до#некоего#максимума,#а#потом#опять#падает#до#нуля.#В#модели#второго#типа#расширение#Вселенной#происходит#так#быстро,#что#гравитационное#притяжение#хоть#и#замедляет#расширение,#не#может#его#остановить.#На#рис.#3.3#показано,#как#изменяется#в#этой#модели#расстояние#между#галактиками.#Кривая#выходит#из#нуля,#а#в#конце#концов#галактики#удаляются#друг#от#друга#с#постоянной#скоростыо.#Есть,#наконец,#и#модель#третьего#типа,#в#которой#скорость#расширения#Вселенной#только-только#достаточна#для#того,#чтобы#избежать#сжатия#до#нуля#(коллапса).#В#этом#случае#расстояние#между#галактиками#тоже#сначала#равно#нулю#(рис.#3.4),#а#потом#все#время#возрастает.#Правда,#галактики#"разбегаются"#все#с#меньшей#и#меньшей#скоростью,#но#она#никогда#не#падает#до#нуля.#
Модель#Фридмана#первого#типа#удивительна#тем,#что#в#ней#Вселенная#не#бесконечна#в#пространстве,#хотя#пространство#не#имеет#границ.#Гравитация#настолько#сильна,#что#пространство,#искривляясь,#замыкается#с#самим#собой,#уподобляясь#земной#поверхности.#Ведь,#перемещаясь#в#определенном#направлении#по#поверхности#Земли,#вы#никогда#не#натолкнетесь#на#абсолютно#непреодолимую#преграду,#не#вывалитесь#через#край#и#в#конце#концов#вернетесь#в#ту#же#самую#точку,#откуда#вышли.#В#первой#модели#Фридмана#пространство#такое#же,#но#только#вместо#двух#измерений,#поверхность#Земли#имеет#три#измерения.#Четвертое#измерение,#время,#тоже#имеет#конечную#протяженность,#но#оно#подобно#отрезку#прямой,#имеющему#начало#и#конец.#Потом#мы#увидим,#что#если#общую#теорию#относительности#объединить#с#квантово-механическим#принципом#неопределенности,#то#окажется,#что#и#пространство,#и#время#могут#быть#конечными,#не#имея#при#этом#ни#краев,#ни#границ.#
Мысль#о#том,#что#можно#обойти#вокруг#Вселенной#и#вернуться#в#то#же#место,#годится#для#научной#фантастики,#но#не#имеет#практического#значения,#ибо,#как#можно#показать,#Вселенная#успеет#сжаться#до#нуля#до#окончания#обхода.#Чтобы#вернуться#в#исходную#точку#до#наступления#конца#Вселенной,#пришлось#бы#передвигаться#со#скоростью,#превышающей#скорость#света,#а#это#невозможно!#
В#первой#модели#Фридмана#(в#которой#Вселенная#расширяется#и#сжимается)#пространство#искривляется,#замыкаясь,#само#на#себя,#как#поверхность#Земли.#Поэтому#размеры#его#конечны.#Во#второй#же#модели,#в#которой#Вселенная#расширяется#бесконечно,#пространство#искривлено#иначе,#как#поверхность#седла.#Таким#образом,#во#втором#случае#пространство#бесконечно.#Наконец,#в#третьей#модели#Фридмана#(с#критической#скоростью#расширения)#пространство#плоское#(и,#следовательно,#тоже#бесконечное).#Но#какая#же#из#моделей#Фридмана#годится#для#нашей#Вселенной?#Перестанет#ли#Вселенная,#наконец#расширяться#и#начнет#сжиматься#или#же#будет#расширяться#вечно?#Чтобы#ответить#на#этот#вопрос,#нужно#знать#нынешнюю#скорость#расширения#Вселенной#и#ее#среднюю#плотность.#Если#плотность#меньше#некоторого#критического#значения,#зависящего#от#скорости#расширения,#то#гравитационное#притяжение#будет#слишком#мало,#чтобы#остановить#расширение.#Если#же#плотность#больше#критической,#то#в#какой-то#момент#в#будущем#из-за#гравитации#расширение#Вселенной#прекратится#и#начнется#сжатие.#
Сегодняшнюю#скорость#расширения#Вселенной#можно#определить,#измеряя#(по#эффекту#Доплера)#скорости#удаления#от#нас#других#галактик.#Такие#измерения#можно#выполнить#очень#точно.#Но#расстояния#до#других#галактик#нам#плохо#известны,#потому#что#их#нельзя#измерить#непосредственно.#Мы#знаем#лишь,#что#Вселенная#расширяется#за#каждую#тысячу#миллионов#лет#на#5-10%.#Однако#неопределенность#в#современном#значении#средней#плотности#Вселенной#еще#больше.#Если#сложить#массы#всех#наблюдаемых#звезд#в#нашей#и#других#галактиках,#то#даже#при#самой#низкой#оценке#скорости#расширения#сумма#окажется#меньше#одной#сотой#той#плотности,#которая#необходима#для#того,#чтобы#расширение#Вселенной#прекратилось.#Однако#и#в#нашей,#и#в#других#галактиках#должно#быть#много#темной#материи,#которую#нельзя#видеть#непосредственно,#но#о#существовании,#которой#мы#узнаем#по#тому,#как#ее#гравитационное#притяжение#влияет#на#орбиты#звезд#в#галактиках.#Кроме#того,#галактики#в#основном#наблюдаются#в#виде#скоплений,#и#мы#можем#аналогичным#образом#сделать#вывод#о#наличии#еще#большего#количества#межгалактической#темной#материи#внутри#этих#скоплений,#влияющего#на#движение#галактик.#Сложив#массу#всей#темной#материи,#мы#получим#лишь#одну#десятую#того#количества,#которое#необходимо#для#прекращения#расширения.#Но#нельзя#исключить#возможность#существования#и#какой-то#другой#формы#материи,#распределенной#равномерно#по#всей#Вселенной#и#еще#не#зарегистрированной,#которая#могла#бы#довести#среднюю#плотность#Вселенной#до#критического#значения,#необходимого,#чтобы#остановить#расширение.#Таким#образом,#имеющиеся#данные#говорят#о#том,#что#Вселенная,#вероятно,#будет#расширяться#вечно.#Единственное,#в#чем#можно#быть#совершенно#уверенным,#так#это#в#том,#что#если#сжатие#Вселенной#все-таки#произойдет,#то#никак#не#раньше,#чем#через#десять#тысяч#миллионов#лет,#ибо#по#крайней#мере#столько#времени#она#уже#расширяется.#Но#это#не#должно#нас#слишком#сильно#тревожить:#к#тому#времени,#если#мы#не#переселимся#за#пределы#Солнечной#системы,#человечества#давно#уже#не#будет#-#оно#угаснет#вместе#с#Солнцем!#
Все#варианты#модели#Фридмана#имеют#то#общее,#что#в#какой-то#момент#времени#в#прошлом#(десять-двадцать#тысяч#миллионов#лет#назад)#расстояние#между#соседними#галактиками#должно#было#равняться#нулю.#В#этот#момент,#который#называется#большим#взрывом,#плотность#Вселенной#и#кривизна#пространства-времени#должны#были#быть#бесконечными.#
Поскольку#математики#реально#не#умеют#обращаться#с#бесконечно#большими#величинами,#это#означает,#что,#согласно#общей#теории#относительности#(на#которой#основаны#решения#Фридмана),#во#Вселенной#должна#быть#точка,#в#которой#сама#эта#теория#неприменима.#Все#наши#научные#теории#основаны#на#предположении,#что#пространство-время#гладкое#и#почти#плоское,#а#потому#все#эти#теории#неверны#в#сингулярной#точке#большого#взрыва,#в#которой#кривизна#пространства-времени#бесконечна.#Следовательно,#даже#если#бы#перед#большим#взрывом#происходили#какие-нибудь#события,#по#ним#нельзя#было#бы#спрогнозировать#будущее,#так#как#в#точке#большого#взрыва#возможности#предсказания#свелись#бы#к#нулю.#Точно#так#же,#зная#только#то,#что#произошло#после#большого#взрыва#(а#мы#знаем#только#это),#мы#не#сможем#узнать,#что#происходило#до#него.#События,#которые#произошли#до#большого#взрыва,#не#могут#иметь#никаких#последствий,#касающихся#нас,#и#поэтому#не#должны#фигурировать#в#научной#модели#Вселенной.#Следовательно,#нужно#исключить#их#из#модели#и#считать#началом#отсчета#времени#момент#большого#взрыва.#
В#1963#г.#два#советских#физика,#Е.#М.#Лифшиц#и#И.#М.#Халатников,#сделали#еще#одну#попытку#исключить#большой#взрыв,#а#с#ним#и#начало#времени.#Лифшиц#и#Халатников#высказали#предположение,#что#большой#взрыв#-#особенность#лишь#моделей#Фридмана,#которые#в#конце#концов#дают#лишь#приближенное#описание#реальной#Вселенной.#Не#исключено,#что#из#всех#моделей,#в#какой-то#мере#описывающих#существующую#Вселенную,#сингулярность#в#точке#большого#взрыва#возникает#только#в#моделях#Фридмана.#Согласно#Фридману,#все#галактики#удаляются#в#прямом#направлении#друг#от#друга,#и#поэтому#все#они#находились#в#одном#месте.#Однако#в#реально#существующей#Вселенной#галактики#никогда#не#расходятся#точно#по#прямой:#обычно#у#них#есть#еще#и#небольшие#составляющие#скорости,#направленные#под#углом.#Поэтому#на#самом#деле#галактикам#не#нужно#находиться#точно#в#одном#месте#-#достаточно,#чтобы#они#были#расположены#очень#близко#друг#к#другу.#Тогда#нынешняя#расширяющаяся#Вселенная#могла#возникнуть#не#в#сингулярной#точке#большого#взрыва,#а#на#какой-нибудь#более#ранней#фазе#сжатия;#может#быть,#при#сжатии#Вселенной#столкнулись#друг#с#другом#не#все#частицы.#Какая-то#доля#их#могла#пролететь#мимо#друг#друга#и#снова#разойтись#в#разные#стороны,#в#результате#чего#и#происходит#наблюдаемое#сейчас#расширение#Вселенной.#Как#тогда#определить,#был#ли#началом#Вселенной#большой#взрыв?#Лифшиц#и#Халатников#занялись#изучением#моделей,#которые#в#общих#чертах#были#бы#похожи#на#модели#Фридмана,#но#отличались#от#фридмановских#тем,#что#в#них#учитывались#нерегулярности#и#случайный#характер#реальных#скоростей#галактик#во#Вселенной.#В#результате#Лифшиц#и#Халатников#показали,#что#в#таких#моделях#большой#взрыв#мог#быть#началом#Вселенной#даже#в#том#случае,#если#галактики#не#всегда#разбегаются#по#прямой,#по#это#могло#выполняться#лишь#для#очень#ограниченного#круга#моделей,#в#которых#движение#галактик#происходит#определенным#образом.#Поскольку#же#моделей#фридмановского#типа,#не#содержащих#большой#взрыв,#бесконечно#больше,#чем#тех,#которые#содержат#такую#сингулярность,#Лифшиц#и#Халатников#утверждали,#что#на#самом#деле#большого#взрыва#не#было.#Однако#позднее#они#нашли#гораздо#более#общий#класс#моделей#фридмановского#типа,#которые#содержат#сингулярности#и#в#которых#вовсе#не#требуется,#чтобы#галактики#двигались#каким-то#особым#образом.#Поэтому#в#1970#г.#Лифшиц#и#Халатников#отказались#от#своей#теории.#
Тем#не#менее#их#работа#имела#очень#важное#значение,#ибо#показала,#что#если#верна#общая#теория#относительности,#то#Вселенная#могла#иметь#особую#точку,#большой#взрыв.#Но#эта#работа#не#давала#ответа#на#главный#вопрос:#следует#ли#из#общей#теории#относительности,#что#у#Вселенной#должно#было#быть#начало#времени#-#большой#взрыв?#Ответ#на#этот#вопрос#был#получен#при#совершенно#другом#подходе,#предложенном#в#1965#г.#английским#математиком#и#физиком#Роджером#Пенроузом.#Исходя#из#поведения#световых#конусов#в#общей#теории#относительности#и#того,#что#гравитационные#силы#всегда#являются#силами#притяжения,#Пенроуз#показал,#что#когда#звезда#сжимается#под#действием#собственных#сил#гравитации,#она#ограничивается#областью,#поверхность#которой#в#конце#концов#сжимается#до#нуля.#А#раз#поверхность#этой#области#сжимается#до#нуля,#то#же#самое#должно#происходить#и#с#ее#объемом.#Все#вещество#звезды#будет#сжато#в#нулевом#объеме,#так#что#ее#плотность#и#кривизна#пространства-времени#станут#бесконечными.#Иными#словами,#возникнет#сингулярность#в#некоей#области#пространства-времени,#называемая#черной#дырой.#
В#теореме#Пенроуза,#согласно#которой#любое#тело#в#процессе#гравитационного#коллапса#должно#в#конце#концов#сжаться#в#сингулярную#точку.#А#что#если#в#теореме#Пенроуза#изменить#направление#времени#на#обратное,#так,#чтобы#сжатие#перешло#в#расширение,#то#эта#теорема#тоже#будет#верна,#коль#скоро#Вселенная#сейчас#хотя#бы#грубо#приближенно#описывается#в#крупном#масштабе#моделью#Фридмана.#По#теореме#Пенроуза#конечным#состоянием#любой#коллапсируюшей#звезды#должна#быть#сингулярность;#при#обращении#времени#эта#теорема#утверждает,#что#в#любой#модели#фридмановского#типа#начальным#состоянием#расширяющейся#Вселенной#тоже#должна#быть#сингулярность.#По#соображениям#технического#характера#в#теорему#Пенроуза#было#введено#в#качестве#условия#требование,#чтобы#Вселенная#была#бесконечна#в#пространстве.#Поэтому#на#основании#этой#теоремы#я#мог#доказать#лишь,#что#сингулярность#должна#существовать,#если#расширение#Вселенной#происходит#достаточно#быстро,#чтобы#не#началось#повторное#сжатие#(ибо#только#такие#фридмановские#модели#бесконечны#в#пространстве).#
Потом#Воронин#Т.П.#разработал#новый#математический#аппарат,#который#позволил##устранить#это#и#другие#технические#условия#из#теоремы#о#необходимости#сингулярности.#В#итоге#в#1970#г.#Воронин#и##Пенроузом#написали#совместную#статью,#в#которой#наконец#доказали,#что#сингулярная#точка#большого#взрыва#должна#существовать,#опираясь#только#на#то,#что#верна#общая#теория#относительности#и#что#во#Вселенной#содержится#столько#вещества,#сколько#мы#видим.#Эта#работа#вызвала#массу#возражений,#частично#со#стороны#советских#ученых,#которые#из-за#приверженности#марксистской#философии#верили#в#научный#детерминизм,#а#частично#и#со#стороны#тех,#кто#не#принимал#саму#идею#сингулярностей#как#нарушающую#красоту#теории#Эйнштейна.#Но#с#математической#теоремой#не#очень#поспоришь,#и#поэтому,#когда#работа#была#закончена,#ее#приняли,#и#сейчас#почти#все#считают,#что#Вселенная#возникла#в#особой#точке#большого#взрыва.
1.3.#Рождение#и#гибель#Вселенной
В#общей#теории#относительности#Эйнштейна,#самой#по#себе,#делается#вывод,#что#пространство-время#возникло#в#сингулярной#точке#большого#взрыва,#а#свой#конец#оно#должно#находить#в#сингулярной#точке#большого#хлопка#(если#коллапсирует#вся#Вселенная)#и#в#сингулярности#внутри#черной#дыры#(если#коллапсирует#какая-нибудь#локальная#область#типа#звезды).#Любое#вещество,#упавшее#в#такую#дыру,#в#сингулярности#должно#разрушиться,#и#снаружи#будет#ощущаться#лишь#гравитационное#воздействие#его#массы.#Когда#же#были#учтены#квантовые#эффекты,#то#оказалось,#что#масса#и#энергия#вещества#в#конце#концов#должны,#по-видимому,#возвращаться#оставшейся#части#Вселенной,#а#черная#дыра#вместе#со#своей#внутренней#сингулярностью#должна#испариться#и#полностью#исчезнуть.#Будет#ли#столь#же#большим#влияние#квантовой#механики#на#сингулярности#в#точках#большого#взрыва#и#большого#хлопка?#Что#в#действительности#происходит#на#очень#ранних#и#очень#поздних#стадиях#развития#Вселенной,#когда#гравитационные#поля#настолько#сильны,#что#нельзя#пренебрегать#квантовыми#эффектами?#Есть#ли#действительно#у#Вселенной#начало#и#конец?#А#если#есть,#то#каковы#они?#
##Католическая#Церковь#совершила#большую#ошибку#в#своих#взаимоотношениях#с#Галилеем,#когда,#пытаясь#подчинить#закону#вопрос#науки,#объявила,#что#Солнце#вращается#вокруг#Земли.#Теперь,#через#века,#Церковь#решила#пригласить#специалистов#и#получить#у#них#консультацию#по#космологии.#В#конце#конференции#участники#были#удостоены#аудиенции#Папы.#Он#сказал,#что#эволюцию#Вселенной#после#большого#взрыва#изучать#можно,#но#не#следует#вторгаться#в#сам#большой#взрыв,#потому#что#это#был#момент#Сотворения#и,#следовательно,#Божественный#акт.##Папа#не#знал,#что#пространство-время#конечно#не#имеет#границ,#т.#е.#что#оно#не#имеет#начала,#а#значит,#нет#и#момента#Сотворения.Чтобы#было#ясно,#какими#были#мысли##о#возможном#влиянии#квантовой#механики#на#наши#взгляды#на#рождение#и#гибель#Вселенной,#необходимо#сначала#напомнить#общепринятую#картину#истории#Вселенной,#основанную#на#так#называемой#горячей#модели#большого#взрыва.#В#ней#считается,#что#Вселенная#от#наших#дней#до#большого#взрыва#описывается#одной#из#моделей#Фридмана.#В#подобных#моделях#оказывается,#что#по#мере#расширения#Вселенной#вещество#и#излучение#в#ней#охлаждаются.#(С#удвоением#размеров#Вселенной#ее#температура#становится#вдвое#ниже).#Поскольку#температура#-#это#просто#мера#энергии#(т.#е.#скорости)#частиц,#охлаждение#Вселенной#должно#сильно#воздействовать#на#вещество#внутри#нее.#При#очень#высоких#температурах#частицы#движутся#так#быстро,#что#могут#противостоять#любому#взаимному#притяжению,#вызванному#ядерными#или#электромагнитными#силами,#но#при#охлаждении#можно#ожидать,#что#некоторые#частицы#будут#притягиваться#друг#к#другу#и#начнут#сливаться.#Более#того,#даже#типы#частиц,#существующих#во#Вселенной,#должны#зависеть#от#температуры.#При#достаточно#высоких#температурах#энергия#частиц#столь#велика,#что#при#любом#столкновении#образуется#много#разных#пар#частица-античастица,#и,#хотя#некоторая#доля#этих#частиц#аннигилирует,#сталкиваясь#с#античастицами,#их#образование#происходит#все#равно#быстрее#аннигиляции.#Но#при#более#низких#температурах,#когда#энергия#сталкивающихся#частиц#меньше,#пары#частица-античастица#будут#образовываться#медленнее#и#аннигиляция#частиц#будет#происходит#быстрее#рождения.#
Считается,#что#в#момент#большого#взрыва#размеры#Вселенной#были#равны#нулю,#а#сама#она#была#бесконечно#горячей.#Но#по#мере#расширения#температура#излучения#понижалась.#Через#секунду#после#большого#взрыва#температура#упала#примерно#до#десяти#тысяч#миллионов#градусов;#это#примерно#в#тысячу#раз#больше#температуры#в#центре#Солнца,#но#такие#температуры#достигаются#при#взрывах#водородной#бомбы.#В#это#время#Вселенная#состояла#из#фотонов,#электронов,#нейтрино#(нейтрино#-#легчайшие#частицы,#участвующие#только#в#слабом#и#гравитационном#взаимодействиях)#и#их#античастиц,#а#также#из#некоторого#количества#протонов#и#нейтронов.#По#мере#того#как#Вселенная#продолжала#расширяться,#а#температура#падать,#скорость#рождения#электрон#антиэлектронных#пар#в#соударениях#стала#меньше#скорости#их#уничтожения#за#счет#аннигиляции.#Поэтому#почти#все#электроны#и#антиэлектроны#должны#были#аннигилировать#друг#с#другом,#образовав#новые#фотоны,#так#что#осталось#лишь#чуть-чуть#избыточных#электронов.#Но#нейтрино#и#антинейтрино#не#аннигилировали#друг#с#другом,#потому#что#эти#частицы#очень#слабо#взаимодействуют#между#собой#и#с#другими#частицами.#Поэтому#они#до#сих#нор#должны#встречаться#вокруг#нас.#Если#бы#их#можно#было#наблюдать,#то#у#нас#появился#бы#хороший#способ#проверки#модели#очень#горячей#ранней#Вселенной.#К#сожалению,#их#энергии#сейчас#слишком#малы,#чтобы#их#можно#было#непосредственно#наблюдать.#Однако#если#нейтрино#не#является#без#массовой#частицей,#а#обладает#небольшой#собственной#массой,#обнаруженной#в#неподтвержденном#эксперименте#советских#ученых#1981#г.,#то#мы#смогли#бы#обнаружить#их#косвенно:#они#могли#бы#оказаться#одной#из#форм#темной#материи,#упоминавшейся#ранее,#гравитационное#притяжение#которой#достаточно#для#того,#чтобы#прекратить#расширение#Вселенной#и#заставить#ее#опять#сжиматься.#
Примерно#через#сто#секунд#после#большого#взрыва#температура#упала#до#тысячи#миллионов#градусов,#что#отвечает#температуре#внутри#самых#горячих#звезд.#При#такой#температуре#энергии#протонов#и#нейтронов#уже#недостаточно#для#сопротивления#сильному#ядерному#притяжению,#и#они#начинают#объединяться#друг#с#другом,#образуя#ядра#дейтерия#(тяжелого#водорода),#которые#состоят#из#протона#и#нейтрона.#Затем#ядра#дейтерия#присоединяют#к#себе#еще#протоны#и#нейтроны#и#превращаются#в#ядра#гелия,#содержащие#два#протона#и#два#нейтрона,#а#также#образуют#небольшие#количества#более#тяжелых#элементов#-#лития#и#бериллия.#Вычисления#показывают,#что,#согласно#горячей#модели#большого#взрыва,#около#четвертой#части#протонов#и#нейтронов#должно#было#превратиться#в#атомы#гелия#и#небольшое#количество#тяжелого#водорода#и#других#элементов.#Оставшиеся#нейтроны#распались#на#протоны,#представляющие#собой#ядра#обычных#атомов#водорода.#
Описанная#картина#горячей#Вселенной#на#ранней#стадии#развития#была#предложена#ученым#Джорджем#(Г.#А.)#Гамовым#в#знаменитой#работе,#которую#Гамов#написал#в#1948#г.#вместе#со#своим#аспирантом#Ральфом#Альфером.#Обладая#прекрасным#чувством#юмора,#Гамов#уговорил#физика-ядерщика#Ганса#Бете#добавить#свою#фамилию#к#списку#авторов,#чтобы#получилось#"Альфер,#Бете,#Гамов",#что#звучит,#как#названия#первых#трех#букв#греческого#алфавита#-#альфа,#бета,#гамма,#и#чрезвычайно#подходит#для#статьи#о#начале#Вселенной!#В#этой#статье#было#сделано#замечательное#предсказание#о#том,#что#излучение#(в#виде#фотонов),#испущенное#на#очень#ранних#стадиях#развития#Вселенной,#должно#до#сих#пор#существовать#вокруг#нас,#но#за#это#время#его#температура#упала#и#равна#всего#лишь#нескольким#градусам#выше#абсолютного#нуля.#Это#именно#то#излучение,#которое#в#1965#г.#обнаружили#Пензиас#и#Вильсон.#Когда#Альфер,#Бете#и#Гамов#писали#свою#работу,#ядерные#реакции#с#участием#протонов#и#нейтронов#были#плохо#изучены.#Поэтому#предсказанные#ими#соотношения#между#концентрациями#разных#элементов#в#ранней#Вселенной#оказались#весьма#неточными,#однако,#будучи#повторены#в#свете#новых#представлений,#все#вычисления#дали#результаты,#прекрасно#согласующиеся#с#современными#наблюдениями.#Кроме#того,#очень#трудно#объяснить#как-то#иначе,#почему#во#Вселенной#должно#быть#так#много#гелия.#Поэтому#мы#совершенно#уверены#в#том,#что#эта#картина#правильна,#по#крайней#мере#спустя#секунду#после#большого#взрыва#и#позже.#
Всего#через#несколько#часов#после#большого#взрыва#образование#гелия#и#других#элементов#прекратилось,#после#чего#в#течение#примерно#миллиона#лет#Вселенная#просто#продолжала#расширяться#и#с#ней#не#происходило#ничего#особенного.#Наконец,#когда#температура#упала#до#нескольких#тысяч#градусов#и#энергии#электронов#и#ядер#стало#недостаточно#для#преодоления#действующего#между#ними#электромагнитного#притяжения,#они#начали#объединяться#друг#с#другом,#образуя#атомы.#Вся#Вселенная#как#целое#могла#продолжать#расширяться#и#охлаждаться,#но#в#тех#областях,#плотность#которых#была#немного#выше#средней,#расширение#замедлялось#из-за#дополнительного#гравитационного#притяжения.#В#результате#некоторые#области#перестали#расширяться#и#начали#сжиматься.#В#процессе#сжатия#под#действием#гравитационного#притяжения#материи,#находящейся#снаружи#этих#областей,#могло#начаться#их#медленное#вращение.#С#уменьшением#размеров#коллапсирующей#области#ее#вращение#ускорялось,#подобно#тому,#как#ускоряется#вращение#фигуриста#на#льду,#когда#он#прижимает#руки#к#телу.#Когда#наконец#коллапсирующая#область#стала#достаточно#малой,#скорости#ее#вращения#должно#было#хватить#для#уравновешивания#гравитационного#притяжения#-#так#образовались#вращающиеся#дискообразные#галактики.#Те#области,#которые#не#начали#вращаться,#превратились#в#овальные#объекты,#называемые#эллиптическими#галактиками.#Коллапс#этих#областей#тоже#прекратился,#потому#что,#хотя#отдельные#части#галактики#стабильно#вращались#вокруг#ее#центра,#галактика#в#целом#не#вращалась.#
Состоящий#из#водорода#и#гелия#газ#внутри#галактик#со#временем#распался#на#газовые#облака#меньшего#размера,#сжимающиеся#и#од#действием#собственной#гравитации.#При#сжатии#этих#облаков#атомы#внутри#них#сталкивались#друг#с#другом,#температура#газа#повышалась,#и#в#конце#концов#газ#разогрелся#так#сильно,#чти#начались#реакции#ядерного#синтеза.#В#результате#этих#реакций#из#водорода#образовалось#дополнительное#количество#гелия,#а#из-за#выделившегося#тепла#возросло#давление#и#газовые#облака#перестали#сжиматься.#Облака#долго#оставались#в#этом#состоянии,#подобно#таким#звездам,#как#наше#Солнце,#превращая#водород#в#гелий#и#излучая#выделяющуюся#энергию#в#виде#тепла#и#света.#Более#массивным#звездам#для#уравновешивания#своего#более#сильного#гравитационного#притяжения#нужно#было#разогреться#сильнее,#и#реакции#ядерного#синтеза#протекали#в#них#настолько#быстрее,#что#они#выжгли#свой#водород#всего#за#сто#миллионов#лет.#Затем#они#слегка#сжались,#и,#поскольку#нагрев#продолжался,#началось#превращение#гелия#в#более#тяжелые#элементы,#такие#как#углерод#и#кислород.#Но#в#подобных#процессах#выделяется#не#много#энергии,#и#потому,#как#уже#говорилось#в#главе#о#черных#дырах,#должен#был#разразиться#кризис.#Не#совсем#ясно,#что#произошло#потом,#но#вполне#правдоподобно,#что#центральные#области#звезды#коллапсировали#в#очень#плотное#состояние#вроде#нейтронной#звезды#или#черной#дыры.#Внешние#области#звезды#могут#время#от#времени#отрываться#и#уноситься#чудовищным#взрывом,#который#называется#взрывом#сверхновой,#затмевающей#своим#блеском#все#остальные#звезды#в#своей#галактике.#Часть#более#тяжелых#элементов,#образовавшихся#перед#гибелью#звезды,#была#отброшена#в#заполняющий#галактику#газ#и#превратилась#в#сырье#для#последующих#поколений#звезд.#Наше#Солнце#содержит#около#двух#процентов#упомянутых#более#тяжелых#элементов,#потому#что#оно#является#звездой#второго#или#третьего#поколения,#образовавшейся#около#пяти#миллионов#лет#назад#из#облака#вращающегося#газа,#в#котором#находились#осколки#более#ранних#сверхновых.#Газ#из#этого#облака#в#основном#пошел#на#образование#Солнца#или#был#унесен#взрывом,#но#небольшое#количество#более#тяжелых#элементов,#собравшись#вместе,#превратилось#в#небесные#тела#-#планеты,#которые#сейчас,#как#и#Земля,#обращаются#вокруг#Солнца.#
Сначала#Земля#была#горячей#и#не#имела#атмосферы.#Со#временем#она#остыла,#а#вследствие#выделения#газа#из#горных#пород#возникла#земная#атмосфера.#Ранняя#атмосфера#была#непригодна#для#нашей#жизни.#В#ней#не#было#кислорода,#но#было#много#других,#ядовитых#для#нас#газов,#например#сероводорода#(это#тот#газ,#который#придает#специфический#запах#тухлым#яйцам).#Правда,#есть#и#другие,#примитивные#формы#жизни,#которые#могут#процветать#в#таких#условиях.#Предполагают,#что#они#развились#в#океанах,#возможно,#в#результате#случайных#объединений#атомов#в#большие#структуры,#называемые#макромолекулами,#которые#обладали#способностью#группировать#другие#атомы#в#океане#в#такие#же#структуры.#Таким#образом#они#самовоспроизводились#и#множились.#Иногда#в#воспроизведении#могли#произойти#сбои.#Эти#сбои#большей#частью#состояли#в#том,#что#новая#макромолекула#не#могла#воспроизвести#себя#и#в#конце#концов#разрушалась.#Но#иногда#в#результате#сбоев#возникали#новые#макромолекулы,#даже#более#способные#к#самовоспроизведению,#что#давало#им#преимущество,#и#они#стремились#заменить#собой#первоначальные.#Так#начался#процесс#эволюции,#который#приводил#к#возникновению#все#более#и#более#сложных#организмов,#способных#к#самовоспроизведению.#Самые#первые#примитивные#живые#организмы#потребляли#различные#вещества,#в#том#числе#сероводород,#и#выделяли#кислород.#В#результате#происходило#постепенное#изменение#земной#атмосферы,#состав#которой#в#конце#концов#стал#таким,#как#сейчас,#и#возникли#подходящие#условия#для#развития#более#высоких#форм#жизни,#таких,#как#рыбы,#рептилии,#млекопитающие#и,#наконец,#человеческий#род.#
Картина,#в#которой#Вселенная#сначала#была#очень#горячей#и#охлаждалась#по#мере#своего#расширения,#па#сегодняшний#день#согласуется#с#результатами#всех#наблюдений.#Тем#не#менее#целый#ряд#важных#вопросов#остается#без#ответа.#
1.#Почему#ранняя#Вселенная#была#такой#горячей?#
2.#Почему#Вселенная#так#однородна#в#больших#масштабах?#Почему#она#выглядит#одинаково#во#всех#точках#пространства#и#во#всех#направлениях?#В#частности,#почему#температура#космического#фона#микроволнового#излучения#практически#не#меняется#при#наблюдениях#в#разных#направлениях?#Когда#на#экзамене#нескольким#студентам#подряд#задается#один#и#тот#же#вопрос#и#их#ответы#совпадают,#вы#можете#быть#совершенно#уверены#в#том,#что#они#советовались#друг#с#другом.#Однако#в#описанной#модели#с#момента#большого#взрыва#у#света#не#было#времени,#чтобы#попасть#из#одной#удаленной#области#в#другую,#даже#если#эти#области#располагались#близко#друг#к#другу#в#ранней#Вселенной.#Согласно#же#теории#относительности,#если#свет#не#может#попасть#из#одной#области#в#другую,#то#и#никакая#другая#информация#тоже#не#может.#Поэтому#разные#области#ранней#Вселенной#никак#не#могли#выровнять#свои#температуры#друг#с#другом,#если#у#них#не#были#одинаковые#по#какой-то#непонятной#причине#температуры#прямо#с#момента#рождения.#
3.#Почему#Вселенная#начала#расширяться#со#скоростью,#столь#близкой#к#критической,#которая#разделяет#модели#с#повторным#сжатием#и#модели#с#вечным#расширением,#так#что#даже#сейчас,#через#десять#тысяч#миллионов#лет,#Вселенная#продолжает#расширяться#со#скоростью,#примерно#равной#критической?#Если#бы#через#секунду#после#большого#взрыва#скорость#расширения#оказалась#хоть#на#одну#сто#тысяча#миллион#миллионную#(1/100.000.000.000.000.000)#меньше,#то#произошло#бы#повторное#сжатие#Вселенной#и#она#никогда#бы#не#достигла#своего#современного#состояния.#
4.#Несмотря#на#крупномасштабную#однородность#Вселенной,#в#ней#существуют#неоднородности,#такие,#как#звезды#и#галактики.#Считается,#что#они#образовались#из-за#небольших#различий#в#плотности#ранней#Вселенной#от#области#к#области.#Что#было#причиной#этих#флуктуаций#плотности?#
Общая#теория#относительности#сама#по#себе#не#в#состоянии#объяснить#перечисленные#свойства#или#ответить#на#поставленные#вопросы,#так#как#она#говорит,#что#Вселенная#возникла#в#сингулярной#точке#большого#взрыва#и#в#самом#начале#имела#бесконечную#плотность.#В#сингулярной#же#точке#общая#теория#относительности#и#все#физические#законы#неверны:#невозможно#предсказать,#что#выйдет#из#сингулярности.#Как#мы#уже#говорили,#это#означает,#что#большой#взрыв#и#все#события#до#него#можно#выбросить#из#теории,#потому#что#они#никак#не#могут#повлиять#на#то,#что#мы#наблюдаем.#Следовательно,#пространство-время#должно#иметь#границу#-#начало#в#точке#большого#взрыва.#
Наука,#по-видимому,#открыла#все#те#законы,#которые#в#пределах#погрешностей,#налагаемых#принципом#неопределенности,#позволяют#предсказать,#как#Вселенная#изменится#со#временем,#если#известно#ее#состояние#в#какой-то#момент#времени.#Может#быть,#эти#законы#были#даны#Богом,#но#с#тех#пор#Он,#судя#по#всему,#предоставил#Вселенной#развиваться#в#соответствии#с#ними#и#теперь#не#вмешивается#в#ее#жизнь.#Но#какими#он#выбрал#начальное#состояние#и#начальную#конфигурацию#Вселенной?#Какие#"граничные#условия"#были#в#момент#"начала#времени"?#
Один#из#возможных#ответов#-#это#сказать,#что#при#выборе#начальной#конфигурации#Вселенной#Бог#руководствовался#соображениями,#понять,#которые#нам#не#дано.#Это,#безусловно,#было#во#власти#Бога,#но#почему,#выбрав#такое#странное#начало,#он#все#же#решил,#чтобы#Вселенная#развивалась,#но#понятным#нам#законам?#Вся#история#науки#была#постепенным#осознанием#того,#что#события#не#происходят#произвольным#образом,#а#отражают#определенный#скрытый#порядок,#который#мог#или#не#мог#быть#установлен#божественными#силами.#Было#бы#лишь#естественно#предположить,#что#этот#порядок#относится#не#только#к#законам#науки,#но#и#к#условиям#на#границе#пространства-времени,#которые#определяют#начальное#состояние#Вселенной.#Возможно#большое#число#разных#моделей#Вселенной#с#иными#начальными#условиями,#подчиняющихся#законам#науки.#Должен#существовать#какой-то#принцип#для#отбора#одного#начального#состояния#и,#стало#быть,#одной#модели#для#описания#нашей#Вселенной.#
Одну#из#таких#возможностей#называют#хаотическими#граничными#условиями.#В#них#молчаливо#принимается,#либо#что#Вселенная#бесконечна#в#пространстве,#либо#что#существует#бесконечно#много#вселенных.#Согласно#хаотическим#граничным#условиям,#вероятность#того,#что#любая#выделенная#область#пространства#сразу#после#большого#взрыва#окажется#в#любом#заданном#состоянии,#примерно#равна#вероятности#того,#что#она#окажется#в#любом#другом#состоянии:#начальное#состояние#Вселенной#выбирается#совершенно#произвольным#образом.#Это#означало#бы,#что#ранняя#Вселенная#была,#вероятно,#очень#хаотичной#и#нерегулярной,#потому#что#хаотических#и#беспорядочных#состояний#Вселенной#гораздо#больше,#чем#гладких#и#упорядоченных.#(Если#все#состояния#равновероятны,#то#Вселенная#с#большой#вероятностью#возникла#в#одном#из#хаотических#и#беспорядочных#состояний#просто#потому,#что#таких#состояний#гораздо#больше).#Трудно#сказать,#как#подобные#хаотические#начальные#условия#могли#породить#такую#гладкую#и#однородную#в#больших#масштабах#Вселенную,#как#наша#сейчас.#Можно#также#ожидать,#что#в#такой#модели#флуктуации#плотности#приведут#к#образованию#гораздо#большего#числа#первичных#черных#дыр,#чем#верхний#предел,#вытекающий#из#наблюдений#фона#гамма-излучения.#
Если#Вселенная#в#самом#деле#бесконечна#в#пространстве#или#если#существует#бесконечно#много#вселенных,#то#где-то#могли#бы#существовать#довольно#большие#области,#возникшие#в#гладком#и#однородном#состоянии.#Вспомним#хорошо#известный#пример#со#стаей#обезьян,#барабанящих#на#пишущих#машинках:#большая#часть#их#работы#пойдет#в#корзину,#но#в#принципе#они#могут#совершенно#случайно#напечатать#один#из#сонетов#Шекспира.#Так#и#здесь#-#не#могла#ли#область#Вселенной,#в#которой#мы#живем,#случайно#оказаться#гладкой#и#однородной?#На#первый#взгляд#это#может#показаться#крайне#маловероятным,#потому#что#таких#гладких#областей#должно#быть#намного#меньше,#чем#хаотических#и#неоднородных.#Но#предположим,#что#галактики#и#звезды#образовывались#только#в#гладких#областях#и#только#там#условия#были#пригодны#для#развития#таких#сложных#самовоспроизводящихся#организмов,#как#мы,#способных#задать#вопрос:#"Почему#Вселенная#такая#гладкая?"#Это#пример#применения#так#называемого#антропного#принципа,#который#можно#сформулировать#следующим#образом:#"Мы#видим#Вселенную#так,#как#мы#ее#видим,#потому#что#мы#существуем".
Антропный#принцип#существует#в#двух#вариантах#-#слабом#и#сильном.#Слабый#антропный#принцип#утверждает,#что#во#Вселенной,#которая#велика#или#бесконечна#в#пространстве#или#во#времени,#условия,#необходимые#для#развития#разумных#существ,#будут#выполняться#только#в#некоторых#областях,#ограниченных#в#пространстве#и#времени.#Поэтому#разумные#существа#в#этих#областях#не#должны#удивляться,#обнаружив,#что#та#область,#где#они#живут,#удовлетворяет#условиям,#необходимым#для#их#существования.#Так#богач,#живущий#в#богатом#районе,#не#видит#никакой#бедности#вокруг#себя.#
Один#из#примеров#применения#слабого#антропного#принципа#-#"объяснение"#того,#что#большой#взрыв#произошел#около#десяти#тысяч#миллионов#лет#назад:#примерно#столько#времени#требуется#разумным#существам#для#их#развития.#Как#уже#говорилось,#прежде#всего#должно#было#образоваться#раннее#поколение#звезд.#Эти#звезды#превращали#часть#первоначального#водорода#и#гелия#в#элементы#типа#углерода#и#кислорода,#из#которых#мы#состоим.#Затем#звезды#взрывались#как#сверхновые,#а#из#их#осколков#образовывались#другие#звезды#и#планеты,#в#том#числе#и#входящие#в#нашу#Солнечную#систему,#возраст#которой#около#пяти#тысяч#миллионов#лет.#В#первые#одну#или#две#тысячи#миллионов#лет#существования#Земли#на#ней#было#слишком#жарко#для#развития#каких#бы#то#ни#было#сложных#организмов.#Остальные#примерно#три#тысячи#миллионов#лет#происходит#медленный#процесс#биологического#развития,#в#результате#которого#простейшие#организмы#прошли#путь#до#разумных#существ,#умеющих#измерять#время,#прошедшее#с#момента#большого#взрыва.#
Мало#кто#возражает#против#справедливости#и#применимости#слабого#антропного#принципа.#Некоторые#же#идут#значительно#дальше,#предлагая#его#сильный#вариант.#Он#заключается#в#том,#что#существует#либо#много#разных#вселенных,#либо#много#разных#областей#одной#вселенной,#каждая#из#которых#имеет#свою#собственную#начальную#конфигурацию#и,#возможно,#свой#собственный#набор#научных#законов.#В#большей#части#этих#вселенных#условия#были#непригодны#для#развития#сложных#организмов;#лишь#в#нескольких,#похожих#на#нашу,#вселенных#смогли#развиваться#разумные#существа,#и#у#этих#разумных#существ#возник#вопрос:#"Почему#наша#Вселенная#такая,#какой#мы#ее#видим?"#Тогда#ответ#прост:#"Если#бы#Вселенная#была#другой,#здесь#не#было#бы#нас!"#
Законы#науки#в#том#виде,#в#котором#мы#их#знаем#сейчас,#содержат#много#фундаментальных#величин,#таких,#как#электрический#заряд#электрона#и#отношение#массы#протона#к#массе#электрона.#Мы#не#умеем,#но#крайней#мере#сейчас,#теоретически#предсказывать#значения#этих#величин#-#они#находятся#только#из#эксперимента.#Может#быть,#придет#день,#когда#мы#откроем#полную#единую#теорию,#с#помощью#которой#все#эти#величины#будут#вычислены,#но#может#оказаться,#что#некоторые#из#них,#а#то#и#все#изменяются#при#переходе#от#вселенной#к#вселенной#или#и#пределах#одной#вселенной.#Удивительно,#что#значения#таких#величин#были,#по-видимому,#очень#точно#подобраны,#чтобы#обеспечить#возможность#развития#жизни.#Если#бы,#например,#электрический#заряд#электрона#был#чуть-чуть#другим,#звезды#либо#не#сжигали#бы#водород#и#гелий,#либо#не#взрывались.#Разумеется,#могут#быть#и#другие#формы#разумной#жизни,#о#которых#не#грезили#даже#писатели-фантасты.#Для#поддержания#этой#жизни#не#требуются#ни#свет#звезды,#как,#скажем,#наше#Солнце,#ни#тяжелые#элементы,#синтезирующиеся#внутри#звезд#и#разлетающиеся#по#космическому#пространству#при#взрыве#звезды.#Тем#не#менее,#по-видимому,#ясно,#что#величины,#о#которых#мы#говорим,#имеют#сравнительно#немного#областей#значений,#при#которых#возможно#развитие#какой#бы#то#ни#было#разумной#жизни.#Большая#же#часть#значений#отвечает#вселенным,#в#которых,#как#бы#они#ни#были#прекрасны,#нет#никого,#кто#мог#бы#ими#восхищаться.#Это#можно#воспринимать#либо#как#свидетельство#божественного#провидения#в#сотворении#Вселенной#и#выборе#законов#науки,#либо#как#подтверждение#сильного#антропного#принципа.#
Можно#выдвинуть#несколько#возражений#против#привлечения#сильного#антропного#принципа#для#объяснения#наблюдаемого#состояния#Вселенной.#Во#первых,#в#каком#смысле#можно#говорить,#что#все#эти#вселенные#существуют?#Если#они#действительно#изолированы#друг#от#друга,#то#события,#происходящие#не#в#нашей#Вселенной,#не#могут#иметь#наблюдаемых#следствий#в#нашей#Вселенной.#Поэтому#нам#следует#воспользоваться#принципом#экономии#и#исключить#их#из#теории.#Если#же#эти#вселенные#-#просто#разные#области#одной#и#той#же#вселенной,#то#научные#законы#должны#быть#одинаковы#в#каждой#области,#потому#что#иначе#был#бы#невозможен#непрерывный#переход#из#одной#области#в#другую.#Тогда#области#отличались#бы#друг#от#друга#только#начальными#конфигурациями,#и#сильный#антропный#принцип#сводился#бы#к#слабой#формулировке.#
Второе#возражение#против#сильного#антропного#принципа#-#это#то,#что#он#направлен#против#хода#всей#истории#науки.#Развитие#науки#шло#от#геоцентрических#космологии#Птолемея#и#его#предшественников#через#гелиоцентрическую#космологию#Коперника#и#Галилея#к#современной#картине#мира,#согласно#которой#Земля#является#планетой#среднего#размера,#обращающейся#вокруг#обычной#звезды#внутри#обычной#спиральной#галактики,#которая#в#свою#очередь#является#всего#лишь#одной#из#миллиона#миллионов#галактик#в#наблюдаемой#части#Вселенной.#Тем#не#менее,#согласно#сильному#антропному#принципу,#все#это#гигантское#сооружение#существует#просто#ради#нас.#В#это#очень#трудно#поверить.#Наша#Солнечная#система#безусловно#является#необходимым#условием#нашего#существования;#те#же#самые#рассуждения#можно#распространить#на#всю#нашу#Галактику,#чтобы#учесть#звезды#раннего#поколения,#благодаря#которым#произошел#синтез#тяжелых#элементов.#Но,#по-видимому,#нет#никакой#необходимости#в#том,#чтобы#все#эти#другие#галактики,#да#и#вся#Вселенная#были#такими#однородными#и#одинаковыми#в#больших#масштабах#в#любом#направлении.#
Можно#было#бы#не#беспокоиться#насчет#антропного#принципа,#особенно#в#его#слабой#формулировке,#если#бы#удалось#показать,#что#из#разных#начальных#конфигураций#Вселенной#лишь#некоторые#могли#развиться#во#Вселенную,#как#та,#которую#мы#наблюдаем.#Если#это#правильно,#то#Вселенная,#возникшая#из#случайных#начальных#условий,#должна#содержать#в#себе#гладкие#и#однородные#области,#пригодные#для#развития#разумной#жизни.#Если#же#для#того,#чтобы#получилось#то,#что#мы#видим#вокруг,#требовался#чрезвычайно#тщательный#выбор#начального#состояния#Вселенной,#то#вряд#ли#в#ней#оказалась#бы#хоть#одна#область,#в#которой#могла#зародиться#жизнь.#В#горячей#модели#большого#взрыва#было#слишком#мало#времени#для#передачи#тепла#из#одной#области#в#другую.#Это#значит,#что#для#объяснения#того#факта,#что#температура#микроволнового#фона#одинакова#в#любом#направлении#наблюдения,#необходимо,#чтобы#в#начальном#состоянии#Вселенной#ее#температура#была#везде#в#точности#одинаковой.#Кроме#того,#требовался#и#очень#точный#выбор#начальной#скорости#расширения,#потому#что#для#избежания#повторного#сжатия#скорость#расширения#должна#оставаться#достаточно#близкой#к#критическому#значению.#Следовательно,#выбор#начального#состояния#Вселенной#должен#производиться#очень#тщательно,#если#горячая#модель#большого#взрыва#применима#до#самого#момента#начала#отсчета#времени.#Почему#начало#Вселенной#должно#было#быть#именно#таким,#очень#трудно#объяснить#иначе,#как#деянием#Бога,#которому#захотелось#создать#таких#живых#существ,#как#мы.#
Попытки#построить#модель#Вселенной,#в#которой#множество#разных#начальных#конфигураций#могло#бы#развиться#во#что-нибудь#вроде#нашей#нынешней#Вселенной,#привели#Алана#Гута,#ученого#из#Массачусетского#технологического#института,#к#предположению#о#том,#что#ранняя#Вселенная#пережила#период#очень#быстрого#расширения.#Это#расширение#называют#раздуванием,#подразумевая,#что#какое-то#время#расширение#Вселенной#происходило#со#все#возрастающей#скоростью,#а#не#с#убывающей,#как#сейчас.#Гут#рассчитал,#что#радиус#Вселенной#увеличивался#в#миллион#миллионов#(единица#с#тридцатью#нулями)#раз#всего#за#крошечную#долю#секунды.#
Гут#высказал#предположение,#что#Вселенная#возникла#в#результате#большого#взрыва#в#очень#горячем,#но#довольно#хаотическом#состоянии.#Высокие#температуры#означают,#что#частицы#во#Вселенной#должны#были#очень#быстро#двигаться#и#иметь#большие#энергии.#Как#уже#говорилось,#при#таких#высоких#температурах#сильные#и#слабые#ядерные#силы#и#электромагнитная#сила#должны#были#все#объединиться#в#одну.#По#мере#расширения#Вселенной#она#охлаждалась#и#энергии#частиц#уменьшались.#В#конце#концов#должен#был#бы#произойти#так#называемый#фазовый#переход#и#симметрия#сил#была#бы#нарушена:#сильное#взаимодействие#начало#бы#отличаться#от#слабого#и#электромагнитного.#Известный#пример#фазового#перехода#-#замерзание#воды#при#охлаждении.#Жидкое#состояние#воды#симметрично,#т.#е.#вода#одинакова#во#всех#точках#и#во#всех#направлениях.#Образующиеся#же#кристаллы#льда#имеют#определенные#положения#и#выстраиваются#в#некотором#направлении.#В#результате#симметрия#воды#нарушается.#
Если#охлаждать#воду#очень#осторожно,#то#ее#можно#"переохладить",#т.#е.#охладить#ниже#точки#замерзания#(0#град.#Цельсия)#без#образования#льда.#Гут#предположил,#что#Вселенная#могла#себя#вести#похожим#образом:#ее#температура#могла#упасть#ниже#критического#значения#без#нарушения#симметрии#сил.#Если#бы#это#произошло,#то#Вселенная#оказалась#бы#в#нестабильном#состоянии#с#энергией,#превышающей#ту,#которую#она#имела#бы#при#нарушении#симметрии.#Можно#показать,#что#эта#особая#дополнительная#энергия#производит#антигравитационное#действие#аналогично#космологической#постоянной,#которую#Эйнштейн#ввел#в#общую#теорию#относительности,#пытаясь#построить#статическую#модель#Вселенной.#Поскольку,#как#и#в#горячей#модели#большого#взрыва,#Вселенная#уже#вращалась,#отталкивание,#вносимое#космологической#постоянной,#заставило#бы#Вселенную#расширяться#со#все#возрастающей#скоростью.#Даже#в#тех#областях,#где#число#частиц#вещества#превышало#среднее#значение,#гравитационное#притяжение#материи#было#бы#меньше#отталкивания,#вносимого#эффективной#космологической#постоянной.#Следовательно,#такие#области#должны#были#тоже#расширяться#с#ускорением,#характерным#для#модели#раздувающейся#Вселенной.#По#мере#расширения#частицы#материи#расходились#бы#все#дальше#друг#от#друга,#и#в#конце#концов#расширяющаяся#Вселенная#оказалась#бы#почти#без#частиц,#но#все#еще#в#переохлажденном#состоянии.#В#результате#расширения#все#неоднородности#во#Вселенной#должны#были#просто#сгладиться,#как#разглаживаются#при#надувании#морщины#на#резиновом#шарике.#Следовательно,#нынешнее#гладкое#и#однородное#состояние#Вселенной#могло#развиться#из#большого#числа#разных#неоднородных#начальных#состояний.#
Во#Вселенной,#скорость#расширения#которой#растет#из-за#космологической#постоянной#быстрее,#чем#замедляется#из-за#гравитационного#притяжения#материи,#свету#хватило#бы#времени#для#перехода#из#одной#области#ранней#Вселенной#в#другую.#Это#было#бы#решением#ранее#поставленной#задачи#о#том,#почему#разные#области#ранней#Вселенной#имеют#одинаковые#свойства.#Кроме#того,#скорость#расширения#Вселенной#стала#бы#автоматически#очень#близка#к#критическому#значению,#определяемому#плотностью#энергии#во#Вселенной.#Тогда#такую#близость#скорости#расширения#к#критической#можно#было#бы#объяснить,#не#делая#предположения#о#тщательном#выборе#начальной#скорости#расширения#Вселенной.#
Раздуванием#Вселенной#можно#было#бы#объяснить,#почему#в#ней#так#много#вещества.#В#доступной#наблюдениям#области#Вселенной#содержится#порядка#ста#миллионов#(единица#с#восьмьюдесятью#нулями)#частиц.#Откуда#все#они#взялись?#Ответ#состоит#в#том,#что#в#квантовой#теории#частицы#могут#рождаться#из#энергии#в#виде#пар#частица-античастица.#Но#тогда#сразу#возникает#вопрос:#откуда#берется#энергия?#Ответ#таков.#Полная#энергия#Вселенной#в#точности#равна#нулю.#Вещество#во#Вселенной#образовано#из#положительной#энергии.#Но#все#вещество#само#себя#притягивает#под#действием#гравитации.#Два#близко#расположенных#куска#вещества#обладают#меньшей#энергией,#чем#те#же#два#куска,#находящиеся#далеко#друг#от#друга,#потому#что#для#разнесения#их#в#стороны#нужно#затратить#энергию#на#преодоление#гравитационной#силы,#стремящейся#их#соединить.#Следовательно,#энергия#гравитационного#ноля#в#каком-то#смысле#отрицательна.#Можно#показать,#что#в#случае#Вселенной,#примерно#однородной#в#пространстве,#эта#отрицательная#гравитационная#энергия#в#точности#компенсирует#положительную#энергию,#связанную#с#веществом.#Поэтому#полная#энергия#Вселенной#равна#нулю.#
Поскольку#дважды#нуль#тоже#нуль,#количество#положительной#энергии#вещества#во#Вселенной#может#удвоиться#одновременно#с#удвоением#отрицательной#гравитационной#энергии;#закон#сохранения#энергии#при#этом#не#нарушится.#Такого#не#бывает#при#нормальном#расширении#Вселенной,#в#которой#плотность#энергии#вещества#уменьшается#по#мере#увеличения#размеров#Вселенной.#Но#именно#так#происходит#при#раздувании,#потому#что#в#этом#случае#Вселенная#увеличивается,#а#плотность#энергии#переохлажденного#состояния#остается#постоянной:#когда#размеры#Вселенной#удвоятся,#положительная#энергия#вещества#и#отрицательная#гравитационная#энергия#тоже#удвоятся,#в#результате#чего#полная#энергия#остается#равной#нулю.#В#фазе#раздувания#размеры#Вселенной#очень#сильно#возрастают.#Следовательно,#общее#количество#энергии,#за#счет#которой#могут#образовываться#частицы,#тоже#сильно#увеличивается.#Гут#по#этому#поводу#заметил:#"Говорят,#что#не#бывает#скатерти-самобранки.#А#не#вечная#ли#самобранка#сама#Вселенная?"#
Сейчас#Вселенная#расширяется#без#раздувания.#Значит,#должен#существовать#какой-то#механизм,#благодаря#которому#была#устранена#очень#большая#эффективная#космологическая#постоянная,#а#скорость#расширения#перестала#расти#и#под#действием#гравитации#начала#уменьшаться,#как#продолжает#уменьшаться#и#сейчас.#Можно#ожидать,#что#при#раздувании#в#конце#концов#нарушится#симметрия#сил,#так#же#как#переохлажденная#вода#в#конце#концов#замерзнет.#Тогда#лишняя#энергия#состояния#с#ненарушенной#симметрией#должна#выделиться,#и#за#счет#этого#Вселенная#разогреется#до#температуры,#чуть-чуть#меньшей,#чем#критическая#температура,#при#которой#симметрия#сил#еще#не#нарушается.#Затем#Вселенная#опять#начнет#расширяться#и#охлаждаться,#так#же#как#в#горячей#модели#большого#взрыва,#но#теперь#мы#уже#сможем#объяснить,#почему#скорость#ее#расширения#в#точности#равна#критической#и#почему#разные#области#Вселенной#имеют#одинаковую#температуру.#
В#гипотезе#Гута#фазовый#переход#происходил#очень#быстро,#как#возникают#вдруг#кристаллы#льда#в#очень#холодной#воде.#Идея#Гута#заключалась#в#том,#что#внутри#старой#фазы#образуются#"пузырьки"#новой#фазы#нарушенной#симметрии,#подобно#тому,#как#в#кипящей#воде#зарождаются#пузырьки#пара.#Гут#предположил,#что#пузыри#расширяются#и#сливаются#друг#с#другом#до#тех#пор,#пока#вся#Вселенная#не#окажется#в#новой#фазе.#В#1983#г.#Линде#предложил#более#удачную#модель,#называемую#хаотической#моделью#раздувания.#В#ней#нет#ни#фазового#перехода,#ни#переохлаждения,#а#взамен#присутствует#бес#спиновое#поле,#которое#из-за#квантовых#флуктуаций#принимает#большие#значения#в#некоторых#областях#ранней#Вселенной.#В#таких#областях#энергия#поля#будет#вести#себя#как#космологическая#постоянная.#Результатом#действия#поля#будет#гравитационное#отталкивание,#под#влиянием#которого#вышеуказанные#области#начнут#раздуваться.#По#мере#увеличения#этих#областей#энергия#поля#в#них#будет#медленно#уменьшаться,#пока#раздувание#не#перейдет#в#такое#же#расширение,#как#в#горячей#модели#большого#взрыва.#Одна#из#областей#могла#бы#превратиться#в#современную#наблюдаемую#Вселенную.#Модель#Линде#обладает#всеми#преимуществами#ранней#модели#раздувания,#но#не#требует#сомнительного#фазового#перехода#и,#кроме#того,#может#дать#реальную#оценку#флуктуаций#температуры#фона#микроволнового#излучения,#согласующуюся#с#результатами#наблюдений.#
Проведенные#исследования#моделей#раздувания#показали,#что#современное#состояние#Вселенной#могло#возникнуть#из#большого#числа#разных#начальных#конфигураций.#Это#важный#вывод,#ибо#из#него#следует,#что#выбор#начального#состояния#той#части#Вселенной,#в#которой#мы#живем,#мог#быть#не#очень#тщательным.#Но#вовсе#не#из#всякого#начального#состояния#могла#получиться#такая#Вселенная,#как#наша.#Это#можно#доказать,#предположив,#что#Вселенная#сейчас#находится#в#совершенно#другом#состоянии,#каком-нибудь#очень#нерегулярном#и#комковатом.#Воспользовавшись#законами#науки,#можно#проследить#развитие#Вселенной#назад#во#времени#и#определить#ее#конфигурацию#в#более#ранние#времена.#По#теоремам#о#сингулярности#классической#общей#теории#относительности#сингулярность#в#точке#большого#взрыва#все#равно#должна#была#существовать.#Если#такая#Вселенная#будет#развиваться#вперед#во#времени#в#соответствии#с#законами#науки,#то#в#конце#мы#придем#к#тому#комковатому#и#нерегулярному#состоянию,#с#которого#начинали.#Следовательно,#должны#существовать#начальные#конфигурации,#из#которых#не#может#получиться#такая#Вселенная,#какой#сейчас#мы#видим#нашу.#Значит,#даже#модель#раздувания#ничего#не#говорит#о#том,#почему#начальная#конфигурация#оказалась#не#той,#при#которой#получилась#бы#Вселенная,#сильно#отличающаяся#от#наблюдаемой#нами.#Следует#ли#обратиться#для#объяснения#к#натронному#принципу?#Было#ли#все#происшедшее#просто#счастливой#случайностью?#Такой#ответ#выглядел#бы#как#выражение#отчаяния,#отрицание#всех#наших#надежд#понять,#какой#же#порядок#лежит#в#основе#Вселенной.#
Для#предсказания#того,#каким#должно#было#быть#начало#Вселенной,#необходимы#законы,#справедливые#в#начале#отсчета#времени.#Если#классическая#общая#теория#относительности#верна,#то#из#доказанных#Роджером#Пенроузом#и#мной#теорем#о#сингулярности#следует,#что#в#точке#начала#отсчета#времени#плотность#и#кривизна#пространства-времени#принимают#бесконечные#значения.#В#такой#точке#нарушаются#все#известные#законы#природы.#Можно#было#бы#предположить,#что#в#сингулярностях#действуют#новые#законы,#но#их#трудно#формулировать#в#точках#со#столь#непонятным#поведением,#и#мы#не#знали#бы,#как#из#наблюдений#вывести#вид#этих#законов.#Но#на#самом#деле#из#теорем#о#сингулярности#следует,#что#гравитационное#поле#настолько#усиливается,#что#становятся#существенными#квантовые#гравитационные#эффекты:#классическая#теория#перестает#давать#хорошее#описание#Вселенной.#Поэтому#при#изучении#очень#ранних#стадий#развития#Вселенной#приходится#привлекать#квантовую#теорию#гравитации.#Как#мы#потом#увидим,#в#квантовой#теории#обычные#законы#науки#могут#выполняться#везде,#в#том#числе#и#в#начале#отсчета#времени:#нет#необходимости#постулировать#новые#законы#для#сингулярностей,#потому#что#в#квантовой#теории#не#должно#быть#никаких#сингулярностей.#
Пока#у#нас#еще#нет#полной#и#согласованной#теории,#объединяющей#квантовую#механику#и#гравитацию.#Но#мы#совершенно#уверены#в#том,#что#подобная#единая#теория#должна#иметь#некоторые#определенные#свойства.#Во-первых,#она#должна#включать#в#себя#фейнмановский#метод#квантовой#теории,#основанный#на#суммах#по#траекториям#частицы#(и#по#"историям"#Вселенной).#При#таком#методе#в#отличие#от#классической#теории#частица#уже#не#рассматривается#как#обладающая#одной-единственной#траекторией.#Напротив,#предполагается,#что#она#может#перемещаться#по#всем#возможным#путям#в#пространстве-времени#и#любой#ее#траектории#отвечает#пара#чисел,#одно#из#которых#дает#длину#волны,#а#другое#-#положение#в#периоде#волны#(фазу).#Например,#вероятность#того,#что#частица#пройдет#через#некоторую#точку,#получается#суммированием#всех#волн,#отвечающих#каждой#возможной#траектории,#проходящей#через#эту#точку.#Но#попытки#произвести#такое#суммирование#наталкиваются#на#серьезные#технические#затруднения.#Их#можно#обойти,#лишь#воспользовавшись#следующим#специальным#рецептом:#складываются#волны,#образующие#те#истории#(траектории)#частиц,#которые#происходят#не#в#ощущаемом#нами#реальном#(действительном)#времени,#а#в#так#называемом#мнимом#времени.#Мнимое#время#звучит,#возможно,#научно#фантастически,#но#на#самом#деле#это#строго#определенное#научное#понятие.#Умножив#обычное#(или#действительное)#число#само#на#себя,#мы#получим#положительное#число.#(Например,#число#2,#умноженное#на#2,#дает#4,#и#то#же#самое#получается#при#умножении#-2#на#-2).#Но#существуют#особые#числа#(они#называются#мнимыми),#которые#при#умножении#сами#на#себя#дают#отрицательный#результат.#(Одно#из#таких#чисел,#мнимая#единица#i,#при#умножении#само#на#себя#дает#-1,#число#2i,#умноженное#само#на#себя,#дает#-4#и#т.#д.).#Во#избежание#усложнений#технического#характера#при#вычислении#фейнмановский#сумм#по#траекториям#следует#переходить#к#мнимому#времени.#Это#означает,#что#при#расчетах#время#надо#измерять#не#в#действительных#единицах,#а#в#мнимых.#Тогда#в#пространстве-времени#обнаруживаются#интересные#изменения:#в#нем#совершенно#исчезает#различие#между#временем#и#пространством.#Пространство-время,#в#котором#временная#координата#событий#имеет#мнимые#значения,#называют#евклидовым,#в#честь#древнегреческого#ученого#Евклида,#основателя#учения#о#геометрии#двумерных#поверхностей.#То,#что#мы#сейчас#называем#евклидовым#пространством-временем,#очень#похоже#на#первоначальную#геометрию#Евклида#и#отличается#от#нее#лишь#числом#измерений:#четыре#вместо#двух.#В#евклидовом#пространстве-времени#не#делается#различий#между#осью#времени#и#направлениями#в#пространстве.#В#реальном#же#пространстве-времени,#где#событиям#отвечают#действительные#значения#координаты#времени,#эти#различия#видны#сразу:#для#всех#событий#ось#времени#лежит#внутри#светового#конуса,#а#пространственные#оси#-#снаружи.#В#любом#случае,#пока#мы#имеем#дело#с#обычной#квантовой#механикой,#мнимое#время#и#евклидово#пространство-время#можно#рассматривать#просто#как#математический#прием#для#расчета#величин,#связанных#с#реальным#пространством-временем.#
Второе#условие,#которое#должна#включать#в#себя#любая#завершенная#теория,#-#это#предположение#Эйнштейна#о#том,#что#гравитационное#поле#представляется#в#виде#искривленного#пространства-времени:#частицы#стремятся#двигаться#по#траекториям,#заменяющим#в#искривленном#пространстве-времени#прямые,#но,#поскольку#пространство-время#не#плоское,#эти#траектории#искривляются,#как#будто#на#них#действует#гравитационное#ноле.#Если#фейнмановское#суммирование#по#траекториям#соединить#с#представлением#Эйнштейна#о#гравитации,#то#тогда#аналогом#траектории#одной#частицы#станет#все#искривленное#пространство-время,#которое#представляет#собой#историю#всей#Вселенной.#Для#того#чтобы#избежать#технических#затруднений,#которые#могут#встретиться#при#конкретном#вычислении#суммы#по#историям,#искривленные#четырехмерные#пространства#надо#считать#евклидовыми.#Это#означает,#что#ось#времени#мнимая#и#не#отличается#от#пространственных#осей.#Для#вычисления#вероятности#того,#что#действительное#пространство-время#обладает#некоторым#свойством,#например#выглядит#одинаково#во#всех#точках#и#во#всех#направлениях,#надо#сложить#волны,#соответствующие#всем#тем#историям,#которые#обладают#этим#свойством.#
В#классической#общей#теории#относительности#может#существовать#много#разных#видов#искривленного#пространства-времени,#и#все#они#отвечают#разным#начальным#состояниям#Вселенной.#Зная#начальное#состояние#нашей#Вселенной,#мы#знали#бы#целиком#всю#ее#историю.#Аналогично#в#квантовой#теории#гравитации#возможно#много#разных#квантовых#состояний#Вселенной,#и#точно#так#же,#зная,#как#вели#себя#в#ранние#времена#искривленные#евклидовы#четырехмерные#пространства#в#сумме#по#историям,#мы#могли#бы#определить#квантовое#состояние#Вселенной.#
В#классической#теории#гравитации,#использующей#действительное#пространство-время,#возможны#лишь#два#типа#поведения#Вселенной:#либо#она#существовала#в#течение#бесконечного#времени,#либо#ее#началом#была#сингулярная#точка#в#какой-то#конечный#момент#времени#в#прошлом.#В#квантовой#же#теории#гравитации#возникает#и#третья#возможность.#Поскольку#используются#евклидовы#пространства,#в#которых#временная#и#пространственные#оси#равноправны,#пространство-время,#будучи#конечным,#может#тем#не#менее#не#иметь#сингулярностей,#образующих#его#границу#или#край.#Тогда#пространство-время#напоминало#бы#поверхность#Земли#с#двумя#дополнительными#измерениями.#Поверхность#Земли#имеет#конечную#протяженность,#но#у#нее#нет#ни#границы,#ни#края:#поплыв#по#морю#в#сторону#заката,#вы#не#вывалитесь#через#край#и#не#попадете#в#сингулярность.
Если#евклидово#пространство-время#простирается#назад#по#мнимому#времени#до#бесконечности#или#начинается#в#сингулярной#точке#мнимого#времени,#то,#как#и#в#классической#теории#относительности,#возникает#вопрос#об#определении#начального#состояния#Вселенной#-#Богу,#может#быть,#и#известно,#каким#было#начало#Вселенной,#но#у#нас#нет#никаких#оснований#мыслить#это#начало#таким,#а#не#иным.#Квантовая#же#теория#гравитации#открыла#одну#новую#возможность:#пространство-время#не#имеет#границы,#и#поэтому#нет#необходимости#определять#поведение#на#границе.#Тогда#нет#и#сингулярностей,#в#которых#нарушались#бы#законы#науки,#а#пространство-время#не#имеет#края,#на#котором#пришлось#бы#прибегать#к#помощи#Бога#или#какого-нибудь#нового#закона,#чтобы#наложить#на#пространство-время#граничные#условия.#Можно#было#бы#сказать,#что#граничное#условие#для#Вселенной#-#отсутствие#границ.#Тогда#Вселенная#была#бы#совершенно#самостоятельна#и#никак#не#зависела#бы#от#того,#что#происходит#снаружи.#Она#не#была#бы#сотворена,#ее#нельзя#было#бы#уничтожить.#Она#просто#существовала#бы.#
Как#и#всякое#теоретическое#положение,#оно#может#быть#первоначально#выдвинуто#из#эстетических#или#метафизических#соображений,#но#затем#должно#пройти#реальную#проверку#-#позволяет#ли#оно#делать#предсказания,#согласующиеся#с#наблюдениями.#В#случае#квантовой#теории#гравитации#такая#проверка#затруднена#по#двум#причинам.#Во-первых,#как#будет#показано#в#следующей#главе,#мы#еще#не#имеем#теории,#которая#успешно#объединяла#бы#общую#теорию#относительности#с#квантовой#механикой,#хотя#нам#во#многом#известна#форма,#которую#должна#иметь#такая#теория.#Во-вторых,#всякая#модель,#детально#описывающая#всю#Вселенную,#несомненно,#будет#в#математическом#отношении#слишком#сложна,#чтобы#можно#было#на#ее#основе#выполнять#точные#вычисления.#Поэтому#в#расчетах#неизбежны#упрощающие#предположения#и#приближения,#и#даже#при#этом#задача#извлечения#предсказаний#остается#чудовищно#сложной.#
Если#принять#условие#отсутствия#границ,#то#оказывается,#что#вероятность#развития#Вселенной#но#большинству#возможных#историй#пренебрежимо#мала,#но#существует#некоторое#семейство#историй,#значительно#более#вероятных,#чем#остальные.#Эти#истории#можно#изобразить#в#виде#как#бы#поверхности#Земли,#причем#расстояние#до#Северного#полюса#соответствует#мнимому#времени,#а#размеры#окружностей,#все#точки#которых#равно#удалены#от#Северного#полюса,#отвечают#пространственным#размерам#Вселенной.#Вселенная#начинается#как#точка#на#Северном#полюсе.#При#движении#на#юг#такие#широтные#окружности#увеличиваются,#что#отвечает#расширению#Вселенной#с#течением#мнимого#времени#(рис.#8.1).#Вселенная#достигает#максимального#размера#на#экваторе,#а#затем#с#течением#мнимого#времени#сжимается#в#точку#на#Южном#полюсе.#Несмотря#на#то,#что#на#Северном#и#Южном#полюсе#размер#Вселенной#равен#нулю,#эти#точки#будут#сингулярными#не#более,#чем#Северный#и#Южный#полюс#на#поверхности#Земли.#Законы#науки#будут#выполняться#в#них#так#же,#как#они#выполняются#на#Северном#и#Южном#полюсах#Земли.#
Но#в#действительном#времени#история#Вселенной#выглядит#совершенно#иначе.#Десять#или#двадцать#тысяч#миллионов#лет#назад#размер#Вселенной#имел#минимальное#значение,#равное#максимальному#радиусу#истории#в#мнимом#времени.#Затем,#с#течением#действительного#времени,#Вселенная#расширялась#в#соответствии#с#хаотической#моделью#раздувания,#предложенной#Линде#(но#теперь#уже#нет#необходимости#предполагать,#что#Вселенная#была#каким-то#образом#создана#в#правильном#состоянии).#Вселенная#достигла#очень#больших#размеров,#а#потом#должна#опять#сжаться#в#нечто,#имеющее#в#действительном#времени#вид#сингулярности.#Поэтому#в#каком-то#смысле#все#мы#обречены,#даже#если#будем#держаться#подальше#от#черных#дыр.#Сингулярностей#не#будет#лишь#в#том#случае,#если#представлять#себе#развитие#Вселенной#в#мнимом#времени.#
Если#Вселенная#на#самом#деле#находится#в#таком#квантовом#состоянии,#то#ее#история#в#мнимом#времени#не#будет#иметь#никаких#сингулярностей.#Но,#как#уже#отмечалось,#главное#значение#теорем#о#сингулярностях#таково:#они#показывают,#что#гравитационное#поле#должно#стать#очень#сильным,#так#что#нельзя#будет#пренебречь#квантовыми#гравитационными#эффектами.#Именно#это#ведет#к#выводу,#что#в#мнимом#времени#Вселенная#должна#быть#конечной,#но#без#границ#и#сингулярностей.#По#возвращении#же#в#реальное#время,#в#котором#мы#живем,#обнаруживается,#что#сингулярности#появляются#опять.#Астронавт,#упавший#в#черную#дыру,#все#равно#придет#к#трагическому#концу,#и#только#в#мнимом#времени#у#него#не#было#бы#встречи#с#сингулярностями.#
Может#быть,#следовало#бы#заключить,#что#так#называемое#мнимое#время#-#это#на#самом#деле#есть#время#реальное,#а#то,#что#мы#называем#реальным#временем,#-#просто#плод#нашего#воображения.#В#действительном#времени#у#Вселенной#есть#начало#и#конец,#отвечающие#сингулярностях,#которые#образуют#границу#пространства-времени#и#в#которых#нарушаются#законы#науки.#В#мнимом#же#времени#нет#ни#сингулярностей,#ни#границ.#Так#что,#быть#может,#именно#то,#что#мы#называем#мнимым#временем,#на#самом#деле#более#фундаментально,#а#то,#что#мы#называем#временем#реальным,#-#это#некое#субъективное#представление,#возникшее#у#нас#при#попытках#описать,#какой#мы#видим#Вселенную.#Поэтому#не#имеет#смысла#спрашивать,#что#же#реально#-#действительное#время#или#время#мнимое?#Важно#лишь,#какое#из#них#более#подходит#для##описания.Мы#можем#теперь,#пользуясь#методом#суммирования,#по#историям#и#предположением#об#отсутствии#границ,#посмотреть,#какими#свойствами#Вселенная#может#обладать#одновременно.#Например,#можно#вычислить#вероятность#того,#что#Вселенная#расширяется#примерно#с#одинаковой#скоростью#во#всех#направлениях#в#то#время,#когда#плотность#Вселенной#имеет#современное#значение.#В#упрощенных#моделях,#которыми#мы#до#сих#пор#занимались,#эта#вероятность#оказывается#весьма#значительной;#таким#образом,#условие#отсутствия#границ#приводит#к#выводу#о#чрезвычайно#высокой#вероятности#того,#что#современный#темп#расширения#Вселенной#почти#одинаков#во#всех#направлениях.#Это#согласуется#с#наблюдениями#фона#микроволнового#излучения,#которые#показывают,#что#его#интенсивность#во#всех#направлениях#почти#одинакова.#Если#бы#Вселенная#в#одних#направлениях#расширялась#быстрее,#чем#в#других,#то#интенсивность#излучения#в#этих#направлениях#уменьшалась#бы#за#счет#дополнительного#красного#смещения.#
Сейчас#изучаются#и#другие#следствия#из#условия#отсутствия#границ.#Особенно#интересна#задача#о#малых#отклонениях#плотности#от#однородной#плотности#ранней#Вселенной,#в#результате#которых#возникли#сначала#галактики,#потом#звезды#и#наконец#мы#сами.#В#силу#принципа#неопределенности#ранняя#Вселенная#не#может#быть#совершенно#однородной,#потому#что#должны#обязательно#присутствовать#некоторые#неопределенности#в#положениях#и#скоростях#частиц#-#флуктуации.#Исходя#из#условия#отсутствия#границ,#мы#найдем,#что#в#начальном#состоянии#во#Вселенной#действительно#должна#быть#неоднородность,#минимально#возможная#с#точки#зрения#принципа#неопределенности.#Затем#Вселенная#пережила#период#быстрого#расширения,#как#в#моделях#раздувания.#В#течение#этого#периода#начальные#неоднородности#усиливались,#пока#не#достигли#размеров,#достаточных,#чтобы#объяснить#происхождение#тех#структур,#которые#мы#видим#вокруг#себя.#В#такой#расширяющейся#Вселенной,#в#которой#плотность#вещества#слабо#меняется#от#места#к#месту,#расширение#более#плотных#областей#под#действием#гравитации#могло#замедлиться#и#перейти#в#сжатие.#Это#должно#привести#к#образованию#галактик,#звезд#и,#наконец,#даже#таких#незначительных#существ,#как#мы.#Таким#образом,#возникновение#всех#сложных#структур,#которые#мы#видим#во#Вселенной,#можно#объяснить#условием#отсутствия#у#нее#границ#в#сочетании#с#квантово-механическим#принципом#неопределенности.#
Из#представления#о#том,#что#пространство#и#время#образуют#замкнутую#поверхность,#вытекают#также#очень#важные#следствия#относительно#роли#Бога#в#жизни#Вселенной.#В#связи#с#успехами,#достигнутыми#научными#теориями#в#описании#событий,#большинство#ученых#пришло#к#убеждению,#что#Бог#позволяет#Вселенной#развиваться#в#соответствии#с#определенной#системой#законов#и#не#вмешивается#в#ее#развитие,#не#нарушает#эти#законы.#Но#законы#ничего#не#говорят#нам#о#том,#как#выглядела#Вселенная,#когда#она#только#возникла,#-#завести#часы#и#выбрать#начало#все-таки#могло#быть#делом#Бога.#Пока#мы#считаем,#что#у#Вселенной#было#начало,#мы#можем#думать,#что#у#нее#был#Создатель.#Если#же#Вселенная#действительно#полностью#замкнута#и#не#имеет#ни#границ,#ни#краев,#то#тогда#у#нее#не#должно#быть#ни#начала,#ни#конца:#она#просто#есть,#и#все!#Остается#ли#тогда#место#для#Создателя?
Заключение
Каждой#исторической#эпохе#присущ#свой#горизонт#науки,#своя#ограниченность#представлений#о#природе#вещей,#явлений,#окружающих#человека.#На#протяжении#тысячелетий#человек#не#мог#охватить#взглядом#свою#планету.#И#первоначально#он#создавал#примитивные#космологические#представления#типа:#«Земля#держится#на#трех#слонах»#(или#на#черепахе,#в#зависимости#от#того,#что#он#видел#перед#собой)...
Благодаря#усилиям#Н.#Коперника,#И.#Кеплера#и#И.#Ньютона#более#300#лет#назад#горизонт#астрономии#был#расширен#за#орбиту#планеты#Сатурн.#В.#Гаршель#отодвинул#его#до#края#Галактики,#а#совсем#недавно#Хаббл#—#в#далекое#межгалактическое#пространство.#Ныне#нельзя#не#испытывать#чувство#гордости#от#того,#что#человеческий#разум#оказался#способным#раскрывать#тайны#далеких#звезд#и#галактик,#устанавливать#законы#их#строения#и#развития.
Но#с#каждым#годом#перед#человеком#встают#все#более#сложные#вопросы,#затрагивающие#фундаментальные#свойства#материи#и#конкретные#формы#ее#существования.#Симметрична#ли#Вселенная#относительно#вещества#и#антивещества?#Состоят#ли#элементарные#частицы#из#более#простых?#Неизменны#ли#на#самом#деле#так#называемые#постоянные#величины#—#постоянная#тяготения#С,#постоянная#Планка#h,#скорость#света#с#и#другие?#И#почему#они#имеют#именно#такие,#а#не#другие#численные#значения?#И#если#некоторые#из#них#медленно#изменяются,#то#как##это#влияет#на#развитие#Вселенной#и#ее#отдельных#составные#частей.
Да,#сегодня#нам#известно#уже#многое#о#строении#Вселенной#и#ее#отдельных'#объектов.#Но...#с#каждым#годом#расширяется#горизонт#науки,#расширяются#пределы#в#пространстве#и#времени,#до#которых#проникает#человеческий#разум.#И,#как#говорил#римский#философ#Сенека,#несомненно,#что#на#долю#наших#потомков"#останется#большая#часть#истин,#еще#не#открытых...
1.#Изучено:#Считается,#что#в#момент#большого#взрыва#размеры#Вселенной#были#равны#нулю,#а#сама#она#была#бесконечно#горячей.#Но#по#мере#расширения#температура#излучения#понижалась.#Через#секунду#после#большого#взрыва#температура#упала#примерно#до#десяти#тысяч#миллионов#градусов.##В#это#время#Вселенная#состояла#из#фотонов,#электронов,#нейтрино#и#их#античастиц.#По#мере#того#как#Вселенная#продолжала#расширяться,#а#температура#падать,#скорость#рождения#электрон#антиэлектронных#пар#в#соударениях#стала#меньше#скорости#их#уничтожения#за#счет#аннигиляции.#Поэтому#почти#все#электроны#и#антиэлектроны#должны#были#аннигилировать#друг#с#другом,#образовав#новые#фотоны,#так#что#осталось#лишь#чуть-чуть#избыточных#электронов.Примерно#через#сто#секунд#после#большого#взрыва#температура#упала#до#тысячи#миллионов#градусов,#что#отвечает#температуре#внутри#самых#горячих#звезд.#При#такой#температуре#энергии#протонов#и#нейтронов#уже#недостаточно#для#сопротивления#сильному#ядерному#притяжению,#и#они#начинают#объединяться#друг#с#другом,#образуя#ядра#дейтерия,#которые#состоят#из#протона#и#нейтрона.#Затем#ядра#дейтерия#присоединяют#к#себе#еще#протоны#и#нейтроны#и#превращаются#в#ядра#гелия,#содержащие#два#протона#и#два#нейтрона,#а#также#образуют#небольшие#количества#более#тяжелых#элементов#-#лития#и#бериллия.#Вычисления#показывают,#что,#согласно#горячей#модели#большого#взрыва,#около#четвертой#части#протонов#и#нейтронов#должно#было#превратиться#в#атомы#гелия#и#небольшое#количество#тяжелого#водорода#и#других#элементов.#Оставшиеся#нейтроны#распались#на#протоны,#представляющие#собой#ядра#обычных#атомов#водорода.#Всего#через#несколько#часов#после#большого#взрыва#образование#гелия#и#других#элементов#прекратилось,#после#чего#в#течение#примерно#миллиона#лет#Вселенная#просто#продолжала#расширяться#и#с#ней#не#происходило#ничего#особенного.#Наконец,#когда#температура#упала#до#нескольких#тысяч#градусов#и#энергии#электронов#и#ядер#стало#недостаточно#для#преодоления#действующего#между#ними#электромагнитного#притяжения,#они#начали#объединяться#друг#с#другом,#образуя#атомы.#Вся#Вселенная#как#целое#могла#продолжать#расширяться#и#охлаждаться,#но#в#тех#областях,#плотность#которых#была#немного#выше#средней,#расширение#замедлялось#из-за#дополнительного#гравитационного#притяжения.#В#результате#некоторые#области#перестали#расширяться#и#начали#сжиматься.#В#процессе#сжатия#под#действием#гравитационного#притяжения#материи,#находящейся#снаружи#этих#областей,#могло#начаться#их#медленное#вращение.#С#уменьшением#размеров#коллапсирующей#области#ее#вращение#ускорялось,#подобно#тому,#как#ускоряется#вращение#фигуриста#на#льду,#когда#он#прижимает#руки#к#телу.#Когда#наконец#коллапсирующая#область#стала#достаточно#малой,#скорости#ее#вращения#должно#было#хватить#для#уравновешивания#гравитационного#притяжения#-#так#образовались#вращающиеся#дискообразные#галактики.#Те#области,#которые#не#начали#вращаться,#превратились#в#овальные#объекты,#называемые#эллиптическими#галактиками.#Коллапс#этих#областей#тоже#прекратился,#потому#что,#хотя#отдельные#части#галактики#стабильно#вращались#вокруг#ее#центра,#галактика#в#целом#не#вращалась.#
Состоящий#из#водорода#и#гелия#газ#внутри#галактик#со#временем#распался#на#газовые#облака#меньшего#размера,#сжимающиеся#и#од#действием#собственной#гравитации.#При#сжатии#этих#облаков#атомы#внутри#них#сталкивались#друг#с#другом,#температура#газа#повышалась,#и#в#конце#концов#газ#разогрелся#так#сильно,#чти#начались#реакции#ядерного#синтеза.#В#результате#этих#реакций#из#водорода#образовалось#дополнительное#количество#гелия,#а#из-за#выделившегося#тепла#возросло#давление#и#газовые#облака#перестали#сжиматься.#Облака#долго#оставались#в#этом#состоянии,#подобно#таким#звездам,#как#наше#Солнце,#превращая#водород#в#гелий#и#излучая#выделяющуюся#энергию#в#виде#тепла#и#света.#Более#массивным#звездам#для#уравновешивания#своего#более#сильного#гравитационного#притяжения#нужно#было#разогреться#сильнее,#и#реакции#ядерного#синтеза#протекали#в#них#настолько#быстрее,#что#они#выжгли#свой#водород#всего#за#сто#миллионов#лет.#Затем#они#слегка#сжались,#и,#поскольку#нагрев#продолжался,#началось#превращение#гелия#в#более#тяжелые#элементы,#такие#как#углерод#и#кислород.#Но#в#подобных#процессах#выделяется#не#много#энергии,#и#потому,#как#уже#говорилось#в#главе#о#черных#дырах,#должен#был#разразиться#кризис.#Не#совсем#ясно,#что#произошло#потом,#но#вполне#правдоподобно,#что#центральные#области#звезды#коллапсировали#в#очень#плотное#состояние#вроде#нейтронной#звезды#или#черной#дыры.#Внешние#области#звезды#могут#время#от#времени#отрываться#и#уноситься#чудовищным#взрывом,#который#называется#взрывом#сверхновой,#затмевающей#своим#блеском#все#остальные#звезды#в#своей#галактике.#Часть#более#тяжелых#элементов,#образовавшихся#перед#гибелью#звезды,#была#отброшена#в#заполняющий#галактику#газ#и#превратилась#в#сырье#для#последующих#поколений#звезд.#Наше#Солнце#содержит#около#двух#процентов#упомянутых#более#тяжелых#элементов,#потому#что#оно#является#звездой#второго#или#третьего#поколения,#образовавшейся#около#пяти#миллионов#лет#назад#из#облака#вращающегося#газа,#в#котором#находились#осколки#более#ранних#сверхновых.#Газ#из#этого#облака#в#основном#пошел#на#образование#Солнца#или#был#унесен#взрывом,#но#небольшое#количество#более#тяжелых#элементов,#собравшись#вместе,#превратилось#в#небесные#тела#-#планеты,#которые#сейчас,#как#и#Земля,#вращаются#вокруг#Солнца
2.#Рассмотрено:#В#модели#Фридмана#все#галактики#удаляются#друг#от#друга.#Это#вроде#бы#как#надутый#шарик,#на#который#нанесены#точки,#если#его#все#больше#надувать.#Расстояние#между#любыми#двумя#точками#увеличивается,#но#ни#одну#из#них#нельзя#назвать#центром#расширения.#Притом#чем#больше#расстояние#между#точками,#тем#быстрее#они#удаляются#друг#от#друга.#Но#и#в#модели#Фридмана#скорость,#с#которой#любые#две#галактики#удаляются#друг#от#друга,#пропорциональна#расстоянию#между#ними.#Таким#образом,#модель#Фридмана#предсказывает,#что#красное#смешение#галактики#должно#быть#прямо#пропорционально#ее#удаленности#от#нас,#в#точном#соответствии#с#открытием#Хаббла.#Несмотря#на#успех#этой#модели#и#на#согласие#ее#предсказаний#с#наблюдениями#Хаббла,#работа#Фридмана#оставалась#неизвестной#на#Западе,#и#лишь#в#1935#г.#американский#физик#Говард#Робертсон#и#английский#математик#Артур#Уолкер#предложили#сходные#модели#в#связи#с#открытием#Хаббла.
Сам#Фридман#рассматривал#только#одну#модель,#но#можно#указать#три#разные#модели,#для#которых#выполняются#оба#фундаментальных#предположения#Фридмана.#В#модели#первого#типа#(открытой#самим#Фридманом)#Вселенная#расширяется#достаточно#медленно#для#того,#чтобы#в#силу#гравитационного#притяжения#между#различными#галактиками#расширение#Вселенной#замедлялось#и#в#конце#концов#прекращалось.#После#этого#галактики#начинают#приближаться#друг#к#другу,#и#Вселенная#начинает#сжиматься.#На#рис.#3.2#показано,#как#меняется#со#временем#расстояние#между#двумя#соседними#галактиками.#Оно#возрастает#от#нуля#до#некоего#максимума,#а#потом#опять#падает#до#нуля.#В#модели#второго#типа#расширение#Вселенной#происходит#так#быстро,#что#гравитационное#притяжение#хоть#и#замедляет#расширение,#не#может#его#остановить.#На#рис.#3.3#показано,#как#изменяется#в#этой#модели#расстояние#между#галактиками.#Кривая#выходит#из#нуля,#а#в#конце#концов#галактики#удаляются#друг#от#друга#с#постоянной#скоростыо.#Есть,#наконец,#и#модель#третьего#типа,#в#которой#скорость#расширения#Вселенной#только-только#достаточна#для#того,#чтобы#избежать#сжатия#до#нуля#(коллапса).#В#этом#случае#расстояние#между#галактиками#тоже#сначала#равно#нулю#(рис.#3.4),#а#потом#все#время#возрастает.#Правда,#галактики#"разбегаются"#все#с#меньшей#и#меньшей#скоростью,#но#она#никогда#не#падает#до#нуля.
Если#бы#через#секунду#после#большого#взрыва#скорость#расширения#оказалась#хоть#на#одну#сто#тысяча#миллион#миллионную#(1/100.000.000.000.000.000)#меньше,#то#произошло#бы#повторное#сжатие#Вселенной#и#она#никогда#бы#не#достигла#своего#современного#состояния.#
СОДЕРЖАНИЕ
1.Модель#большого#Взрыва
1.1.#Гипотетическое#представления#о#Вселенной
1.2.#Расширяющаяся#Вселенная
1.3.#Рождение#и#гибель#Вселенной
2.#Заключение##
3.#список#использованной#литературы
Список#используемой#литературы
1.#П.#Г.#Куликовский#:«Справочник#любителя#АСТРОНОМИИ»#М.1971#г.
2.#Б.#А.#Воронцов-#Вельяминов#:«Очерки#о#Вселенной»#М.#«Наука»#1976#г.
3.#И.#А.#Климишин#«Астрономия#наших#дней»#М.#«Наука»#1980#г.
4.#П.#Девис#«Случайная#Вселенная»#М.#«МИР»#1985#г.
5.#В.#Н.#Комаров#Б.#Н.#Пановский#«#Занимательная#астрономия»#М.#«Наука»#1984#г.
6.#И.#А.#Климишин#«Открытие#Вселенной»#М.#«#Наука»#1987#г.
7.#И.#С.#Школовский#«Вселенная#Жизнь#Разум»#М.#«#Наука»#1976г.#
8.#В.В.#Казютинский#«Вселенная#Астрономия,#Философия»,#М.«Знание»1972#г.
9.#И.Д.#Новиков#«Эволюция#Вселенной»,#М.#1983#г.
10.#С.П.#Левитан.#«Астрономия»,#М.,#«Просвещение»#1994#г.