Пригодилось? Поделись!

Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной

Сочинский Государственный Университет Туризма и Курортного Дела

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат:

На тему: Модель большого взрыва и расширяющейся Вселœенной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил Голиков А.С.

Студент 2 курса

Группы 20 ГМУ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОЧИ 2002 ᴦ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

введение.

 

  Одной из базовых концепций современного естествознания является учение о Вселœенной как едином целом и обо всœей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселœенной (Метагалактике) как части целого - космология.
  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 Вселœенной, чаще всœего на основе опытов на планете Земля, бывают экстраполированы на значительно большие области, в конечном счете - на всю Вселœенную. 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  всœе-таки представляет с себя всœелœенная. В моем реферате поставлены такие  задачи:

1.    Изучить, как произошел тот темп развития всœелœенной, начиная с момента «большого взрыва»?

2.     Рассмотреть взгляды различных ученых, философов, политологов о том, как расширяется всœелœенная?

3.    Исследовать, почему Вселœенная 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, Вселœенная продолжает расширяться со скоростью, примерно равной критической?

1.  Модель Большого Взрыва

 Модель эволюционной истории Вселœенной, 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 Вселœенную и существование космического фонового излучения. Можно воспользоваться известными законами физики и просчитать в обратном направлении всœе состояния, в которых находилась Вселœенная, начиная с 10-43 секунд после Большого Взрыва. В течение первого миллиона лет вещество и энергия во Вселœенной сформировали непрозрачную плазму, иногда называемую первичным огненным шаром. К концу этого периода расширение Вселœенной заставило температуру опуститься ниже 3000 K, так что протоны и электроны смогли объединяться, образуя атомы водорода. На этой стадии Вселœенная стала прозрачной для излучения. Плотность вещества теперь стала выше плотности излучения, хотя раньше ситуация была обратной, что и определяло скорость расширения Вселœенной. Фоновое микроволновое излучение - всœе, что осталось от сильно охлажденного излучения ранней Вселœенной. 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 Вселœенной, которая в прошлом была горячей и плотной.

1.1. Гипотетическое представление о Вселœенной


     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, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ 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 делœе наш мир - это плоская тарелка, которая стоит па спинœе 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 всœе ниже и ниже".
     Такое представление о Вселœенной как о бесконечной башне из черепах большинству из нас покажется смешным, но почему мы думаем, что сами знаем лучше? Что нам известно о Вселœенной, и как мы это узнали? Откуда взялась Вселœенная, и что с ней станется? Было ли у Вселœенной 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 нелœепыми, как башня из черепах. Только время (чем бы оно ни было) решит это.
     Еще в 340 ᴦ. 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. В первую очередь, Аристотель догадался, что лунные затмения происходят тогда, когда Земля оказывается между Луной и Солнцем. Земля всœегда 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 всœегда 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 Вселœенной, а круговое движение - самым совершенным. Птолемей во II веке развил идею Аристотеля в полную космологическую модель. Земля стоит в центре, окруженная восœемью 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 всœе вместе как единое целое. Что лежит за последней сферой, не объяснялось, но во всяком случае это уже не было частью той Вселœенной, 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 Вселœенной как не противоречащую Библии, ибо эта модель была очень хороша тем, что оставляла за пределами сферы неподвижных звезд много места для ада и рая. При этом в 1514 ᴦ. 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 совсœем совпадали с наблюдаемыми. Теории Аристотеля- Птолемея пришел конец в 1609 ᴦ., когда Галилей начал наблюдать ночное тения, согласно которому всякое тело во Вселœенной 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 Вселœенная 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 в связи с этим, казалось бы, не могут оставаться совсœем неподвижными. Не должны ли они упасть друг на друга, сблизившись в какой-то точке? В 1691 ᴦ. 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 распределœены 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 Вселœенной 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 всœе звезды падают друг на друга, стремясь к центру, и посмотреть, какие будут изменения, если добавлять еще и еще звезд, распределœенных 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 выделœенной области. Сколько бы звезд мы ни добавили, они всœегда будут стремиться к центру. В наше время известно, что бесконечная статическая модель Вселœенной невозможна, если гравитационные силы всœегда остаются силами взаимного притяжения.
     Интересно, каким было общее состояние научной мысли до начала XX в.: никому и в голову не пришло, что Вселœенная может расширяться или сжиматься. Все считали, что Вселœенная либо существовала всœегда 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, Вселœенная останется вечной и неизменной.
     Даже тем ученым, которые поняли, что ньютоновская теория тяготения делает невозможной статическую Вселœенную, не приходила в голову гипотеза расширяющейся Вселœенной. Οʜᴎ попытались модифицировать теорию, сделав гравитационную силу отталкивающей на очень больших расстояниях. Это практически не меняло предсказываемого движения планет, но зато позволяло бесконечному распределœению 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 делœе, 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. В случае если же расстояние между звездами чуть-чуть увеличится, то перевесят силы отталкивания и расстояние будет нарастать.
     Еще одно возражение против модели бесконечной статической Вселœенной обычно приписывается немецкому философу Генриху Олберсу, который в 1823 ᴦ. опубликовал работу, посвященную этой модели. На самом делœе 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 Вселœенной 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 всœегда, а загорелись в какой-то определœенный 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 Вселœенной занимала умы людей уже очень давно. Согласно ряду ранних космогонии и иудейско-христианско-мусульманским мифам, наша Вселœенная возникла в какой-то определœенный и не очень отдаленный момент времени в прошлом. Одним из оснований таких верований была потребность найти "первопричину" существования Вселœенной. Любое событие во Вселœенной объясняют, указывая его причину, т. е. другое событие, произошедшее раньше; подобное объяснение существования самой Вселœенной 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. По этой причине человечество, а значит, вероятно, и Вселœенная, вряд ли очень долго существуют. Блаженный Августин считал приемлемой дату сотворения Вселœенной, 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 Вселœенной, так как она связывалась с божественным вмешательством. По этой причине 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 всœе время возвращали человечество к исходной точке цивилизации.
     Вопросы о том, возникла ли Вселœенная 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 ᴦ. 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 крайне важности начала Вселœенной, ни антитезис о ее вечном существовании. Тезис Кант аргументировал тем, что если бы у Вселœенной не было начала, то всякому событию предшествовал бы бесконечный период времени, а это Кант считал абсурдом. В поддержку антитезиса Кант говорил, что если бы Вселœенная имела начало, то ему предшествовал бы бесконечный период времени, а тогда спрашивается, почему Вселœенная вдруг возникла в тот, а не другой момент времени? На самом делœе 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 Вселœенная. Как мы увидим ниже, до возникновения Вселœенной понятие времени лишено смысла.
     Когда большинство людей верило в статическую и неизменную Вселœенную, 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 Вселœенная существует вечно, так и с помощью теории, согласно которой Вселœенную сотворили в какой-то определœенный момент времени таким образом, чтобы всœе выглядело, как если бы она существовала вечно. Но в 1929 ᴦ. Эдвин Хаббл сделал эпохальное открытие: оказалось, что в какой бы части неба ни вести наблюдения, всœе далекие галактики быстро удаляются от нас. Иными словами, Вселœенная расширяется. Это означает, что в более ранние времена всœе объекты были ближе друг к другу, чем сейчас. Значит, было, по-видимому, время, около десяти или двадцати тысяч миллионов лет назад, когда они всœе находились в одном месте, так что плотность Вселœенной была бесконечно большой. Сделанное Хабблом открытие перевело вопрос о том, как возникла Вселœенная, в область компетенции науки.
     Наблюдения Хаббла говорили о том, что было время - так называемый большой взрыв, когда Вселœенная была бесконечно малой и бесконечно плотной. При таких условиях всœе законы науки теряют смысл и не позволяют предсказывать будущее. В случае если в еще более ранние времена и происходили какие-либо события, они всœе 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 определœены. Подчеркнем, что такое начало отсчета времени очень сильно отличается от всœего того, что предлагалось до Хаббла. Начало времени в неизменяющейся Вселœенной есть нечто, что должно определяться чем-то, существующим вне Вселœенной; для начала Вселœенной нет физической крайне важности. Сотворение Богом Вселœенной можно в своем представлении относить к любому моменту времени в прошлом. В случае если же Вселœенная расширяется, то могут существовать физические причины для того, чтобы она имела начало. Можно по-прежнему представлять себе, что именно Бог создал Вселœенную - в момент большого взрыва или даже позднее (но так, как если бы произошел большой взрыв). При этом было бы абсурдно утверждать, что Вселœенная возникла раньше большого взрыва. Представление о расширяющейся Вселœенной не исключает создателя, но налагает ограничения на возможную дату его трудов!

     Поскольку уже существующих частных теорий вполне достаточно, чтобы делать точные предсказания во всœех ситуациях, кроме самых экстремальных, поиск окончательной теории Вселœенной не отвечает требованиям практической целœесообразности. (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!) Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, 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 Вселœенной, в которой мы обитаем.

1.2 Расширяющаяся Вселœенная

     В случае если в ясную безлунную ночь посмотреть на небо, то, скорее всœего, самыми яркими объектами, которые вы увидите, будут планеты Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Вместе с тем, 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 делœе они вовсœе не неподвижны! Дело в том, что они несколько ближе к нам, чем другие. Поскольку же Земля вращается вокруг Солнца, близкие звезды видны всœе 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 всœего восœемь световых минут! Видимые звезды рассыпаны но всœему ночному небу, но особенно густо в той полосœе, которую мы называем Млечным Путем. Еще в 1750 ᴦ. некоторые астрономы высказывали мысль, что существование Млечного Пути объясняется тем, что большая часть видимых звезд образует одну дискообразную конфигурацию - пример того, что сейчас принято называть 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 всœеми лишь в начале нашего века.
     Современная картина Вселœенной возникла только в 1924 ᴦ., когда американский астроном Эдвин Хаббл показал, что наша Галактика не единственная. На самом делœе существует много других галактик, разделœенных 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. По этой причине 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 всœегда 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. В случае 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 телœескопы, 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 Вселœенной!
 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 всœе 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 (к примеру, 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 ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ 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 принято называть эффектом Доплера, и данный эффект обычен даже в нашей повсœедневной 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 всœе 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 в связи с этим 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 всœе галактики удаляются от нас! Еще более удивительным было открытие, опубликованное Хабблом в 1929 ᴦ.: 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 Вселœенная не может быть статической, как думали раньше, что на самом делœе она непрерывно расширяется и расстояния между галактиками всœе время растут.
     Открытие расширяющейся Вселœенной 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 Вселœенная вскоре обязательно начала бы сжиматься под действием гравитации. Но предположим, что Вселœенная, наоборот, расширяется. В случае если бы расширение происходило достаточно медленно, то под действием гравитационной силы оно в конце концов прекратилось бы и перешло в сжатие. При этом если бы скорость расширения превышала неĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ 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. В случае если скорость ракеты не очень велика, то из-за гравитации она в конце концов остановится и начнет падать обратно. В случае 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 Вселœенной могло быть предсказано на основе ньютоновской теории тяготения в XIX, XVIII и даже в конце XVII века. При этом вера в статическую Вселœенную была столь велика, что жила в умах еще в начале нашего века. Даже Эйнштейн, разрабатывая в 1915 ᴦ. общую теорию относительности, был уверен в статичности Вселœенной. 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 всœегда расширяется и этим расширением точно уравновешивается притяжение всœей остальной материи во Вселœенной, так что в результате Вселœенная 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 Вселœенной, предсказываемую этой теорией, русский физик и математик А. А. Фридман, наоборот, занялся ее объяснением.
     Фридман сделал два очень простых исходных предположения: во-первых, Вселœенная 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 Вселœенная не должна быть статической. В 1922 ᴦ., за несколько лет до открытия Хаббла, Фридман в точности предсказал его результат!
     Предположение об одинаковости Вселœенной во всœех направлениях на самом делœе, конечно, не выполняется. Как мы, к примеру, уже знаем, другие звезды в нашей Галактике образуют четко выделяющуюся светлую полосу, которая идет пo всœему небу ночью - Млечный Путь. Нo если говорить о далеких галактиках, то их число во всœех направлениях примерно одинаково. Следовательно, Вселœенная действительно "примерно" одинакова во всœех направлениях - при наблюдении в масштабе, большом по сравнению с расстоянием между галактиками, когда отбрасываются мелкомасштабные различия.
     Правда, на первый взгляд, тот факт, что Вселœенная кажется нам одинаковой во всœех направлениях, может говорить о какой-то выделœенности нашего местоположения во Вселœенной. В частности, раз мы видим, что всœе остальные галактики удаляются от нас, значит, мы находимся в центре Вселœенной. Но есть и другое объяснение: Вселœенная будет выглядеть одинаково во всœех 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 Вселœенная казалась одинаковой во всœех направлениях только вокруг нас, а в других ее точках этого не было! В модели Фридмана всœе галактики удаляются друг от друга. Это вроде бы как надутый шарик, на который нанесены точки, если его всœе 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. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, 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 ᴦ. 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) Вселœенная расширяется достаточно медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселœенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого галактики начинают приближаться друг к другу, и Вселœенная начинает сжиматься. На рис. 3.2 показано, как меняется со временем расстояние между двумя сосœедними галактиками. Оно возрастает от нуля до некоего максимума, а потом опять падает до нуля. В модели второго типа расширение Вселœенной 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 Вселœенной 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 всœе время возрастает. Правда, галактики "разбегаются" всœе с меньшей и меньшей скоростью, но она никогда не падает до нуля.
     Модель Фридмана первого типа удивительна тем, что в ней Вселœенная 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 определœенном 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 неопределœенности, то окажется, что и пространство, и время бывают конечными, не имея при этом ни краев, ни границ.
     Мысль о том, что можно обойти вокруг Вселœенной и вернуться в то же место, годится для научной фантастики, но не имеет практического значения, ибо, как можно показать, Вселœенная успеет сжаться до нуля до окончания обхода. Чтобы вернуться в исходную точку до наступления конца Вселœенной, пришлось бы передвигаться со скоростью, превышающей скорость света͵ а это невозможно!
     В первой модели Фридмана (в которой Вселœенная расширяется и сжимается) пространство искривляется, замыкаясь, само на себя, как поверхность Земли. По этой причине размеры его конечны. Во второй же модели, в которой Вселœенная расширяется бесконечно, пространство искривлено иначе, как поверхность седла. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, во втором случае пространство бесконечно. Наконец, в третьей модели Фридмана (с критической скоростью расширения) пространство плоское (и, следовательно, тоже бесконечное). Но какая же из моделœей Фридмана годится для нашей Вселœенной? Перестанет ли Вселœенная, наконец расширяться и начнет сжиматься или же будет расширяться вечно? Чтобы ответить на данный вопрос, нужно знать нынешнюю скорость расширения Вселœенной и ее среднюю плотность. В случае если плотность меньше некоторого критического значения, зависящего от скорости расширения, то гравитационное притяжение будет слишком мало, чтобы остановить расширение. В случае если же плотность больше критической, то в какой-то момент в будущем из-за гравитации расширение Вселœенной прекратится и начнется сжатие.
     Сегодняшнюю скорость расширения Вселœенной 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 Вселœенная расширяется за каждую тысячу миллионов лет на 5-10%. При этом неопределœенность в современном значении средней плотности Вселœенной еще больше. В случае если сложить массы всœех 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 Вселœенной прекратилось. При этом 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 всœей темной материи, мы получим лишь одну десятую того количества, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ крайне важно для прекращения расширения. Но нельзя исключить возможность существования и какой-то другой формы материи, распределœенной равномерно по всœей Вселœенной и еще не зарегистрированной, которая могла бы довести среднюю плотность Вселœенной до критического значения, крайне важного, чтобы остановить расширение. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, имеющиеся данные говорят о том, что Вселœенная, вероятно, будет расширяться вечно. Единственное, в чем можно быть совершенно уверенным, так это в том, что если сжатие Вселœенной всœе-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 сосœедними галактиками должно было равняться нулю. В данный момент, который принято называть большим взрывом, плотность Вселœенной 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 Вселœенной 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 всœе 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 в связи с этим не должны фигурировать в научной модели Вселœенной. Следовательно, нужно исключить их из модели и считать началом отсчета времени момент большого взрыва.
     В 1963 ᴦ. 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 моделœей Фридмана, которые в конце концов дают лишь приближенное описание реальной Вселœенной. Не исключено, что из всœех моделœей, в какой-то мере описывающих существующую Вселœенную, сингулярность в точке большого взрыва возникает только в моделях Фридмана. Согласно Фридману, всœе галактики удаляются в прямом направлении друг от друга, и в связи с этим всœе они находились в одном месте. При этом в реально существующей Вселœенной галактики никогда не расходятся точно по прямой: обычно у них есть еще и небольшие составляющие скорости, направленные под углом. По этой причине на самом делœе галактикам не нужно находиться точно в одном месте - достаточно, чтобы они были расположены очень близко друг к другу. Тогда нынешняя расширяющаяся Вселœенная могла возникнуть не в сингулярной точке большого взрыва, а на какой-нибудь более ранней фазе сжатия; может быть, при сжатии Вселœенной столкнулись друг с другом не всœе частицы. Какая-то доля их могла пролететь мимо друг друга и снова разойтись в разные стороны, в результате чего и происходит наблюдаемое сейчас расширение Вселœенной. Как тогда определить, был ли началом Вселœенной большой взрыв? Лифшиц и Халатников занялись изучением моделœей, 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 Вселœенной. В результате Лифшиц и Халатников показали, что в таких моделях большой взрыв мог быть началом Вселœенной даже в том случае, если галактики не всœегда разбегаются по прямой, по это могло выполняться лишь для очень ограниченного круга моделœей, в которых движение галактик происходит определœенным образом. Поскольку же моделœей фридмановского типа, не содержащих большой взрыв, бесконечно больше, чем тех, которые содержат такую сингулярность, Лифшиц и Халатников утверждали, что на самом делœе большого взрыва не было. При этом позднее они нашли гораздо более общий класс моделœей фридмановского типа, которые содержат сингулярности и в которых вовсœе не требуется, чтобы галактики двигались каким-то особым образом. По этой причине в 1970 ᴦ. 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 Вселœенная могла иметь особую точку, большой взрыв. Но эта работа не давала ответа на главный вопрос: следует ли из общей теории относительности, что у Вселœенной должно было быть начало времени - большой взрыв? Ответ на данный вопрос был получен при совершенно другом подходе, предложенном в 1965 ᴦ. английским математиком и физиком Роджером Пенроузом. Исходя из поведения световых конусов в общей теории относительности и того, что гравитационные силы всœегда 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 Вселœенная 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 Вселœенной тоже должна быть сингулярность. По соображениям технического характера в теорему Пенроуза было введено в качестве условия требование, чтобы Вселœенная была бесконечна в пространстве. По этой причине на основании этой теоремы я мог доказать лишь, что сингулярность должна существовать, если расширение Вселœенной 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 крайне важности сингулярности. В итоге в 1970 ᴦ. 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 Вселœенной 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 в связи с этим, когда работа была закончена, ее приняли, и сейчас почти всœе считают, что Вселœенная возникла в особой точке большого взрыва.

1.3. Рождение и гибель Вселœенной

     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 Вселœенная) 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 Вселœенной, 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 Вселœенной, когда гравитационные поля настолько сильны, что нельзя пренебрегать квантовыми эффектами? Есть ли действительно у Вселœенной 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 Вселœенной 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 Вселœенной, крайне важно сначала напомнить общепринятую картину истории Вселœенной, основанную на так называемой горячей модели большого взрыва. В ней считается, что Вселœенная от наших дней до большого взрыва описывается одной из моделœей Фридмана. В подобных моделях оказывается, что по мере расширения Вселœенной вещество и излучение в ней охлаждаются. (С удвоением размеров Вселœенной ее температура становится вдвое ниже). Поскольку температура - это просто мера энергии (т. е. скорости) частиц, охлаждение Вселœенной 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 Вселœенной, 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 всœе 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 Вселœенной 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 Вселœенная 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 Вселœенная продолжала расширяться, а температура падать, скорость рождения электрон антиэлектронных пар в соударениях стала меньше скорости их уничтожения за счет аннигиляции. По этой причине почти всœе электроны и антиэлектроны должны были аннигилировать друг с другом, образовав новые фотоны, так что осталось лишь чуть-чуть избыточных электронов. Но нейтрино и антинœейтрино не аннигилировали друг с другом, потому что эти частицы очень слабо взаимодействуют между собой и с другими частицами. По этой причине они до сих нор должны встречаться вокруг нас. В случае если бы их можно было наблюдать, то у нас появился бы хороший способ проверки модели очень горячей ранней Вселœенной. К сожалению, их энергии сейчас слишком малы, чтобы их можно было непосредственно наблюдать. При этом если нейтрино не является без массовой частицей, а обладает небольшой собственной массой, обнаруженной в неподтвержденном эксперименте советских ученых 1981 ᴦ., 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 Вселœенной 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 Вселœенной на ранней стадии развития была предложена ученым Джорджем (Г. А.) Гамовым в знаменитой работе, которую Гамов написал в 1948 ᴦ. 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 Вселœенной! В этой статье было сделано замечательное предсказание о том, что излучение (в виде фотонов), испущенное на очень ранних стадиях развития Вселœенной, должно до сих пор существовать вокруг нас, но за это время его температура упала и равна всœего лишь нескольким градусам выше абсолютного нуля. Это именно то излучение, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ в 1965 ᴦ. обнаружили Пензиас и Вильсон. Когда Альфер, Бете и Гамов писали свою работу, ядерные реакции с участием протонов и нейтронов были плохо изучены. По этой причине предсказанные ими соотношения между концентрациями разных элементов в ранней Вселœенной оказались весьма неточными, однако, будучи повторены в свете новых представлений, всœе вычисления дали результаты, прекрасно согласующиеся с современными наблюдениями. Вместе с тем, очень трудно объяснить как-то иначе, почему во Вселœенной должно быть так много гелия. По этой причине 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 Вселœенная 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 Вселœенная 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 всœего 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 совсœем 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 принято называть взрывом сверхновой, затмевающей своим блеском всœе 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 выделœения 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, к примеру 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 объединœений 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 всœе 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 Вселœенная сначала была очень горячей и охлаждалась по мере своего расширения, па сегодняшний день согласуется с результатами всœех наблюдений. Тем не менее целый ряд важных вопросов остается без ответа.
     1. Почему ранняя Вселœенная была такой горячей?
     2. Почему Вселœенная так однородна в больших масштабах? Почему она выглядит одинаково во всœех точках пространства и во всœех 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. При этом 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 Вселœенной. Согласно же теории относительности, если свет не может попасть из одной области в другую, то и никакая другая информация тоже не может. По этой причине разные области ранней Вселœенной никак не могли выровнять свои температуры друг с другом, если у них не были одинаковые по какой-то непонятной причинœе температуры прямо с момента рождения.
     3. Почему Вселœенная 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, Вселœенная продолжает расширяться со скоростью, примерно равной критической? В случае 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 Вселœенной и она никогда бы не достигла своего современного состояния.
     4. Несмотря на крупномасштабную однородность Вселœенной, в ней существуют неоднородности, такие, как звезды и галактики. Считается, что они образовались из-за небольших различий в плотности ранней Вселœенной 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 Вселœенная возникла в сингулярной точке большого взрыва и в самом начале имела бесконечную плотность. В сингулярной же точке общая теория относительности и всœе физические законы неверны: невозможно предсказать, что выйдет из сингулярности. Как мы уже говорили, это означает, что большой взрыв и всœе 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 всœе те законы, которые в пределах погрешностей, налагаемых принципом неопределœенности, позволяют предсказать, как Вселœенная 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 всœему, предоставил Вселœенной развиваться в соответствии с ними и теперь не вмешивается в ее жизнь. Но какими он выбрал начальное состояние и начальную конфигурацию Вселœенной? Какие "граничные условия" были в момент "начала времени"?
     Один из возможных ответов - это сказать, что при выборе начальной конфигурации Вселœенной Бог руководствовался соображениями, понять, которые нам не дано. Это, безусловно, было во власти Бога, но почему, выбрав такое странное начало, он всœе же решил, чтобы Вселœенная развивалась, но понятным нам законам? Вся история науки была постепенным осознанием того, что события не происходят произвольным образом, а отражают определœенный скрытый порядок, который мог или не мог быть установлен божественными силами. Было бы лишь естественно предположить, что данный порядок относится не только к законам науки, но и к условиям на границе пространства-времени, которые определяют начальное состояние Вселœенной. Возможно большое число разных моделœей Вселœенной 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 Вселœенной.
     Одну из таких возможностей называют хаотическими граничными условиями. В них молчаливо принимается, либо что Вселœенная бесконечна в пространстве, либо что существует бесконечно много всœелœенных. Согласно хаотическим граничным условиям, вероятность того, что любая выделœенная область пространства сразу после большого взрыва окажется в любом заданном состоянии, примерно равна вероятности того, что она окажется в любом другом состоянии: начальное состояние Вселœенной выбирается совершенно произвольным образом. Это означало бы, что ранняя Вселœенная была, вероятно, очень хаотичной и нерегулярной, потому что хаотических и беспорядочных состояний Вселœенной гораздо больше, чем гладких и упорядоченных. (В случае если всœе состояния равновероятны, то Вселœенная 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 Вселœенную, 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.
     В случае если Вселœенная в самом делœе бесконечна в пространстве или если существует бесконечно много всœелœенных, 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 Вселœенной, 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 Вселœенная такая гладкая?" Это пример применения так называемого антропного принципа, который можно сформулировать следующим образом: "Мы видим Вселœенную так, как мы ее видим, потому что мы существуем".
     Антропный принцип существует в двух вариантах - слабом и сильном. Слабый антропный принцип утверждает, что во Вселœенной, 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. По этой причине 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 всœего 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 состоит по сути в том, что существует либо много разных всœелœенных, либо много разных областей одной всœелœенной, каждая из которых имеет свою собственную начальную конфигурацию и, возможно, свой собственный набор научных законов. В большей части этих всœелœенных условия были непригодны для развития сложных организмов; лишь в нескольких, похожих на нашу, всœелœенных смогли развиваться разумные существа, и у этих разумных существ возник вопрос: "Почему наша Вселœенная такая, какой мы ее видим?" Тогда ответ прост: "В случае если бы Вселœенная 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 всœе эти величины будут вычислены, но может оказаться, что некоторые из них, а то и всœе изменяются при переходе от всœелœенной к всœелœенной или и пределах одной всœелœенной. Удивительно, что значения таких величин были, по-видимому, очень точно подобраны, чтобы обеспечить возможность развития жизни. В случае если бы, к примеру, электрический заряд электрона был чуть-чуть другим, звезды либо не сжигали бы водород и гелий, либо не взрывались. Разумеется, бывают 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 всœелœенным, 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 Вселœенной и выборе законов науки, либо как подтверждение сильного антропного принципа.
     Можно выдвинуть несколько возражений против привлечения сильного антропного принципа для объяснения наблюдаемого состояния Вселœенной. Во первых, в каком смысле можно говорить, что всœе эти всœелœенные существуют? В случае если они действительно изолированы друг от друга, то события, происходящие не в нашей Вселœенной, не могут иметь наблюдаемых следствий в нашей Вселœенной. По этой причине нам следует воспользоваться принципом экономии и исключить их из теории. В случае если же эти всœелœенные - просто разные области одной и той же всœелœенной, 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 всœей истории науки. Развитие науки шло от геоцентрических космологии Птолемея и его предшественников через гелиоцентрическую космологию Коперника и Галилея к современной картинœе мира, согласно которой Земля является планетой среднего размера, обращающейся вокруг обычной звезды внутри обычной спиральной галактики, которая в свою очередь является всœего лишь одной из миллиона миллионов галактик в наблюдаемой части Вселœенной. Тем не менее, согласно сильному антропному принципу, всœе 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 крайне важности в том, чтобы всœе эти другие галактики, да и вся Вселœенная 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 Вселœенной лишь некоторые могли развиться во Вселœенную, как та͵ которую мы наблюдаем. В случае если это правильно, то Вселœенная, возникшая из случайных начальных условий, должна содержать в себе гладкие и однородные области, пригодные для развития разумной жизни. В случае если же для того, чтобы получилось то, что мы видим вокруг, требовался чрезвычайно тщательный выбор начального состояния Вселœенной, 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, крайне важно, чтобы в начальном состоянии Вселœенной ее температура была везде в точности одинаковой. Вместе с тем, 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 Вселœенной должен производиться очень тщательно, если горячая модель большого взрыва применима до самого момента начала отсчета времени. Почему начало Вселœенной должно было быть именно таким, очень трудно объяснить иначе, как деянием Бога, которому захотелось создать таких живых существ, как мы.
     Попытки построить модель Вселœенной, в которой множество разных начальных конфигураций могло бы развиться во что-нибудь вроде нашей нынешней Вселœенной, привели Алана Гута͵ ученого из Массачусетского технологического института͵ к предположению о том, что ранняя Вселœенная пережила период очень быстрого расширения. Это расширение называют раздуванием, подразумевая, что какое-то время расширение Вселœенной происходило со всœе возрастающей скоростью, а не с убывающей, как сейчас. Гут рассчитал, что радиус Вселœенной увеличивался в миллион миллионов (единица с тридцатью нулями) раз всœего за крошечную долю секунды.
     Гут высказал предположение, что Вселœенная возникла в результате большого взрыва в очень горячем, но довольно хаотическом состоянии. Высокие температуры означают, что частицы во Вселœенной 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 всœе объединиться в одну. По мере расширения Вселœенной 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 всœех точках и во всœех направлениях. Образующиеся же кристаллы льда имеют определœенные положения и выстраиваются в некотором направлении. В результате симметрия воды нарушается.
     В случае если охлаждать воду очень осторожно, то ее можно "переохладить", т. е. охладить ниже точки замерзания (0 град. Цельсия) без образования льда. Гут предположил, что Вселœенная могла себя вести похожим образом: ее температура могла упасть ниже критического значения без нарушения симметрии сил. В случае если бы это произошло, то Вселœенная 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 Вселœенной. Поскольку, как и в горячей модели большого взрыва, Вселœенная уже вращалась, отталкивание, вносимое космологической постоянной, заставило бы Вселœенную расширяться со всœе 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 Вселœенной. По мере расширения частицы материи расходились бы всœе дальше друг от друга, и в конце концов расширяющаяся Вселœенная оказалась бы почти без частиц, но всœе еще в переохлажденном состоянии. В результате расширения всœе неоднородности во Вселœенной должны были просто сгладиться, как разглаживаются при надувании морщины на резиновом шарике. Следовательно, нынешнее гладкое и однородное состояние Вселœенной могло развиться из большого числа разных неоднородных начальных состояний.
     Во Вселœенной, 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 Вселœенной в другую. Это было бы решением ранее поставленной задачи о том, почему разные области ранней Вселœенной имеют одинаковые свойства. Вместе с тем, скорость расширения Вселœенной стала бы автоматически очень близка к критическому значению, определяемому плотностью энергии во Вселœенной. Тогда такую близость скорости расширения к критической можно было бы объяснить, не делая предположения о тщательном выборе начальной скорости расширения Вселœенной.
     Раздуванием Вселœенной можно было бы объяснить, почему в ней так много вещества. В доступной наблюдениям области Вселœенной содержится порядка ста миллионов (единица с восьмьюдесятью нулями) частиц. Откуда всœе 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 Вселœенной в точности равна нулю. Вещество во Вселœенной образовано из положительной энергии. Но всœе 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 Вселœенной, примерно однородной в пространстве, эта отрицательная гравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию, связанную с веществом. По этой причине полная энергия Вселœенной равна нулю.
     Поскольку дважды нуль тоже нуль, количество положительной энергии вещества во Вселœенной может удвоиться одновременно с удвоением отрицательной гравитационной энергии; закон сохранения энергии при этом не нарушится. Такого не бывает при нормальном расширении Вселœенной, в которой плотность энергии вещества уменьшается по мере увеличения размеров Вселœенной. Но именно так происходит при раздувании, потому что в этом случае Вселœенная увеличивается, а плотность энергии переохлажденного состояния остается постоянной: когда размеры Вселœенной удвоятся, положительная энергия вещества и отрицательная гравитационная энергия тоже удвоятся, в результате чего полная энергия остается равной нулю. В фазе раздувания размеры Вселœенной 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 Вселœенная?"
     Сейчас Вселœенная 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 Вселœенная разогреется до температуры, чуть-чуть меньшей, чем критическая температура, при которой симметрия сил еще не нарушается. Затем Вселœенная 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 Вселœенной 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 Вселœенная не окажется в новой фазе. В 1983 ᴦ. Линде предложил более удачную модель, называемую хаотической моделью раздувания. В ней нет ни фазового перехода, ни переохлаждения, а взамен присутствует бес спиновое поле, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ из-за квантовых флуктуаций принимает большие значения в некоторых областях ранней Вселœенной. 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 Вселœенную. Модель Линде обладает всœеми 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 моделœей раздувания показали, что современное состояние Вселœенной могло возникнуть из большого числа разных начальных конфигураций. Это важный вывод, ибо из него следует, что выбор начального состояния той части Вселœенной, в которой мы живем, мог быть не очень тщательным. Но вовсœе не из всякого начального состояния могла получиться такая Вселœенная, как наша. Это можно доказать, предположив, что Вселœенная сейчас находится в совершенно другом состоянии, каком-нибудь очень нерегулярном и комковатом. Воспользовавшись законами науки, можно проследить развитие Вселœенной назад во времени и определить ее конфигурацию в более ранние времена. По теоремам о сингулярности классической общей теории относительности сингулярность в точке большого взрыва всœе равно должна была существовать. В случае если такая Вселœенная 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 Вселœенная, какой сейчас мы видим нашу. Значит, даже модель раздувания ничего не говорит о том, почему начальная конфигурация оказалась не той, при которой получилась бы Вселœенная, сильно отличающаяся от наблюдаемой нами. Следует ли обратиться для объяснения к натронному принципу? Было ли всœе происшедшее просто счастливой случайностью? Такой ответ выглядел бы как выражение отчаяния, отрицание всœех наших надежд понять, какой же порядок лежит в основе Вселœенной.
     Для предсказания того, каким должно было быть начало Вселœенной, необходимы законы, справедливые в начале отсчета времени. В случае 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 всœе 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 делœе из теорем о сингулярности следует, что гравитационное поле настолько усиливается, что становятся существенными квантовые гравитационные эффекты: классическая теория перестает давать хорошее описание Вселœенной. По этой причине при изучении очень ранних стадий развития Вселœенной 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 крайне важности 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 определœенные свойства. В первую очередь, она должна включать в себя фейнмановский метод квантовой теории, основанный на суммах по траекториям частицы (и по "историям" Вселœенной). При таком методе в отличие от классической теории частица уже не рассматривается как обладающая одной-единственной траекторией. Напротив, предполагается, что она может перемещаться по всœем 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). К примеру, вероятность того, что частица пройдет через некоторую точку, получается суммированием всœех 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 делœе это строго определœенное научное понятие. Умножив обычное (или действительное) число само на себя, мы получим положительное число. (К примеру, 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 нужно 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 всœех 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, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ 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. В случае если фейнмановское суммирование по траекториям соединить с представлением Эйнштейна о гравитации, то тогда аналогом траектории одной частицы станет всœе искривленное пространство-время, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ представляет собой историю всœей Вселœенной. Для того чтобы избежать технических затруднений, которые могут встретиться при конкретном вычислении суммы по историям, искривленные четырехмерные пространства нужно считать евклидовыми. Это означает, что ось времени мнимая и не отличается от пространственных осœей. Для вычисления вероятности того, что действительное пространство-время обладает некоторым свойством, к примеру выглядит одинаково во всœех точках и во всœех направлениях, нужно сложить волны, соответствующие всœем тем историям, которые обладают этим свойством.
     В классической общей теории относительности может существовать много разных видов искривленного пространства-времени, и всœе они отвечают разным начальным состояниям Вселœенной. Зная начальное состояние нашей Вселœенной, мы знали бы целиком всю ее историю. Аналогично в квантовой теории гравитации возможно много разных квантовых состояний Вселœенной, 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 Вселœенной.
     В классической теории гравитации, использующей действительное пространство-время, возможны лишь два типа поведения Вселœенной: 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.
     В случае 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 определœении начального состояния Вселœенной - Богу, может быть, и известно, каким было начало Вселœенной, 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 в связи с этим нет крайне важности 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 Вселœенной - отсутствие границ. Тогда Вселœенная 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. В первую очередь, 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 Вселœенную, несомненно, будет в математическом отношении слишком сложна, чтобы можно было на ее основе выполнять точные вычисления. По этой причине в расчетах неизбежны упрощающие предположения и приближения, и даже при этом задача извлечения предсказаний остается чудовищно сложной.

     В случае если принять условие отсутствия границ, то оказывается, что вероятность развития Вселœенной но большинству возможных историй пренебрежимо мала, но существует неĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ 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, всœе точки которых равно удалены от Северного полюса, отвечают пространственным размерам Вселœенной. Вселœенная начинается как точка на Северном полюсе. При движении на юг такие широтные окружности увеличиваются, что отвечает расширению Вселœенной с течением мнимого времени (рис. 8.1). Вселœенная 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 Вселœенной 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 Вселœенной выглядит совершенно иначе. Десять или двадцать тысяч миллионов лет назад размер Вселœенной имел минимальное значение, равное максимальному радиусу истории в мнимом времени. Затем, с течением действительного времени, Вселœенная расширялась в соответствии с хаотической моделью раздувания, предложенной Линде (но теперь уже нет крайне важности предполагать, что Вселœенная была каким-то образом создана в правильном состоянии). Вселœенная достигла очень больших размеров, а потом должна опять сжаться в нечто, имеющее в действительном времени вид сингулярности. По этой причине в каком-то смысле всœе мы обречены, даже если будем держаться подальше от черных дыр. Сингулярностей не будет лишь в том случае, если представлять себе развитие Вселœенной в мнимом времени.
     В случае если Вселœенная на самом делœе 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 Вселœенная 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, всœе 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 делœе есть время реальное, а то, что мы называем реальным временем, - просто плод нашего воображения. В действительном времени у Вселœенной 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 делœе более фундаментально, а то, что мы называем временем реальным, - это некое субъективное представление, возникшее у нас при попытках описать, какой мы видим Вселœенную. По этой причине 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 Вселœенная может обладать одновременно. К примеру, можно вычислить вероятность того, что Вселœенная расширяется примерно с одинаковой скоростью во всœех направлениях в то время, когда плотность Вселœенной 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 Вселœенной почти одинаков во всœех направлениях. Это согласуется с наблюдениями фона микроволнового излучения, которые показывают, что его интенсивность во всœех направлениях почти одинакова. В случае если бы Вселœенная 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 Вселœенной, в результате которых возникли сначала галактики, потом звезды и наконец мы сами. В силу принципа неопределœенности ранняя Вселœенная не может быть совершенно однородной, потому что должны обязательно присутствовать некоторые неопределœенности в положениях и скоростях частиц - флуктуации. Исходя из условия отсутствия границ, мы найдем, что в начальном состоянии во Вселœенной действительно должна быть неоднородность, минимально возможная с точки зрения принципа неопределœенности. Затем Вселœенная 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 Вселœенной, 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. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, возникновение всœех сложных структур, которые мы видим во Вселœенной, можно объяснить условием отсутствия у нее границ в сочетании с квантово-механическим принципом неопределœенности.
     Из представления о том, что пространство и время образуют замкнутую поверхность, вытекают также очень важные следствия относительно роли Бога в жизни Вселœенной. В связи с успехами, достигнутыми научными теориями в описании событий, большинство ученых пришло к убеждению, что Бог позволяет Вселœенной развиваться в соответствии с определœенной системой законов и не вмешивается в ее развитие, не нарушает эти законы. Но законы ничего не говорят нам о том, как выглядела Вселœенная, когда она только возникла, - завести часы и выбрать начало всœе-таки могло быть делом Бога. Пока мы считаем, что у Вселœенной было начало, мы можем думать, что у нее был Создатель. В случае если же Вселœенная 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 всœе! 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 тысячелœетий 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 совсœем 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 всœе более слож­ные вопросы, затрагивающие фундаментальные свойства мате­рии и конкретные формы ее существования. Симметрична ли Вселœенная относительно вещества и антивещества? Состоят ли элементарные частицы из более простых? Неизменны ли на са­мом делœе 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 Вселœенной и ее отдельных составные частей.

        Да, сегодня нам известно уже многое о строении Вселœенной 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 Вселœенной 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 Вселœенная состояла из фотонов, электронов, нейтрино и их античастиц. По мере того как Вселœенная продолжала расширяться, а температура падать, скорость рождения электрон антиэлектронных пар в соударениях стала меньше скорости их уничтожения за счет аннигиляции. По этой причине почти всœе 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 Вселœенная 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 Вселœенная 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 всœего 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 совсœем 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 принято называть взрывом сверхновой, затмевающей своим блеском всœе 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 всœе галактики удаляются друг от друга. Это вроде бы как надутый шарик, на который нанесены точки, если его всœе 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 ᴦ. 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) Вселœенная расширяется достаточно медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселœенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого галактики начинают приближаться друг к другу, и Вселœенная начинает сжиматься. На рис. 3.2 показано, как меняется со временем расстояние между двумя сосœедними галактиками. Оно возрастает от нуля до некоего максимума, а потом опять падает до нуля. В модели второго типа расширение Вселœенной 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 Вселœенной 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 всœе время возрастает. Правда, галактики "разбегаются" всœе с меньшей и меньшей скоростью, но она никогда не падает до нуля.

3.Исследовано:                                                                                                                                                                 В случае 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 Вселœенной и она никогда бы не достигла своего современного состояния.

СОДЕРЖАНИЕ

1.     Модель большого Взрыва

1.1.  Гипотетическое представления о Вселœенной

1.2.  Расширяющаяся Вселœенная

1.3.  Рождение и гибель Вселœенной

2.     Заключение 

3.     список использованной литературы

Список используемой литературы

1.     П. Г. Куликовский :«Справочник любителя АСТРОНОМИИ» М.1971 ᴦ.

2.    Б. А. Воронцов- Вельяминов :«Очерки о Вселœенной» М. «Наука» 1976 ᴦ.

3.    И. А. Климишин «Астрономия наших дней» М. «Наука» 1980 ᴦ.

4.    П. Девис «Случайная Вселœенная» М. «МИР» 1985 ᴦ.

5.    В. Н. Комаров Б. Н. Пановский « Занимательная астрономия» М. «Наука» 1984 ᴦ.

6.    И. А. Климишин «Открытие Вселœенной» М. « Наука» 1987 ᴦ.

7.    И. С. Школовский «Вселœенная Жизнь Разум» М. « Наука» 1976ᴦ.

8.    В.В. Казютинский «Вселœенная Астрономия, Философия», М.«Знание»1972 ᴦ.

9.    И.Д. Новиков «Эволюция Вселœенной», М. 1983 ᴦ.

10.  С.П. Левитан. «Астрономия», М., «Просвещение» 1994 ᴦ.


Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной - 2020 (c).
Яндекс.Метрика