Сегодня мы говорим об этой, ну как ее, Вселенной. Так уж получилось, что однажды она откуда-то появилась, и вот все мы здесь. Кто-то читает эту статью, кто-то готовится к экзамену, проклиная все на свете... Самолеты летают, поезда ходят, планеты крутятся, где-то всегда что-то происходит. Людям всегда было интересно знать один сложный ответ на простой вопрос. Как же все начиналось и как это мы докатились до того, что есть? Иными словами - как родилась Вселенная?
Итак, вот они - разные версии и модели происхождения Вселенной.
Креационизм: все создал Господь Бог
Среди всех теорий о происхождении Вселенной эта появилась самой первой. Очень хорошая и удобная версия, которая, пожалуй, будет иметь актуальность всегда. Кстати, многие ученые физики, несмотря на то что наука и религия часто представляются понятиями противоположными, верили в Бога. Например, Альберт Эйнштейн говорил:
«Каждый серьезный естествоиспытатель должен быть каким-то образом человеком религиозным. Иначе он не способен себе представить, что те невероятно тонкие взаимозависимости, которые он наблюдает, выдуманы не им. В бесконечном универсуме обнаруживается деятельность бесконечно совершенного Разума. Обычное представление обо мне, как об атеисте – большое заблуждение. Если это представление почерпнуто из моих научных работ, могу сказать, что мои научные работы не поняты»
Теория Большого Взрыва
Пожалуй, самая распространенная и наиболее признанная модель происхождения нашей Вселенной. Во всяком случае, о ней слышал практически каждый. Что говорит нам Большой Взрыв? Однажды, лет эдак 14 миллиардов назад, пространства и времени не было, а вся масса вселенной была сосредоточена в крохотной точке с невероятной плотностью – в сингулярности. В один прекрасный момент (если так можно сказать -времени-то не было) сингулярность не выдержала из-за возникшей в ней неоднородности, произошел так называемый Большой Взрыв. И с тех пор Вселенная постоянно расширяется и остывает.
Модель расширяющейся Вселенной
Сейчас доподлинно известно, что Галактики и иные космические объекты удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется. В 20-м веке существовало множество альтернативных теорий происхождения Вселенной. Одной из самых популярных была модель стационарной Вселенной, за которую ратовал сам Эйнштейн. Согласно этой модели, Вселенная не расширяется, а находиться в стационарном состоянии благодаря какой-то удерживающей ее силе.
Красное смещение – это наблюдаемое для далеких источников понижение частот излучения, которое объясняется отдалением источников (галактик, квазаров) друг от друга. Данный факт свидетельствует о том, что Вселенная расширяется.
Реликтовое излучение – это как бы отголоски большого взрыва. Ранее Вселенная представляла собой горячую плазму, которая постепенно остывала. Еще с тех далеких времен во Вселенной остались так называемые блуждающие фотоны, которые образуют фоновое космическое излучение. Ранее при более высоких температурах Вселенной данное излучение было гораздо мощнее. Сейчас же его спектр соответствует спектру излучения абсолютно твердого тела с температурой всего 2,7 Кельвин.
Теория струн
Современное изучение эволюции Вселенной невозможно без согласования его с квантовой теорией. Так, например, в рамках теории струн (теория струн основана на гипотезе о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн ), предполагается модель множественной Вселенной. Конечно, там тоже был Большой Взрыв, но он произошел не просто так и из ничего, а, возможно, в результате столкновения нашей Вселенной с какой-то другой, еще одной Вселенной.
Собственно, кроме Большого Взрыва, породившего нашу Вселенную, во множественной Вселенной происходит множество других Больших Взрывов, порождающих множество других Вселенных, развивающихся по своим, отличным от известных нам законам физики.
Скорее всего мы никогда не узнаем наверняка, как, откуда и почему появилась Вселенная. Тем не менее, размышлять об этом можно очень долго и интересно, а чтобы у Вас было достаточно пищи для размышлений, предлагаем посмотреть увлекательное видео на тему современных теорий происхождения Вселенной.
Проблемы развития Вселенной слишком масштабны. Настолько масштабны, что, по сути, даже не являются проблемами. Предоставим физикам-теоретикам ломать над ними головы и перенесемся из глубин Вселенной на Землю, где нас, возможно, ждет неначатый курсач или диплом. Если это так, мы предлагаем свое решение этого вопроса. Закажите отличную работу у , вздохните спокойно, и будьте в гармонии с собой и Вселенной.
Итак, в настоящий момент Вселенная расширяется, ее вещество разлетается, наиболее далекие объекты, видимые в крупнейшие телескопы, удаляются от нас со скоростями, превышающими три четверти скорости света. Процесс расширения и рассеяния первоначальной огромной тепловой энергии привел к структурированию материи. Сейчас эволюция материи идет в направлении все большего местного усложнения диссипативных структур. По крайней мере в одной точке Вселенной - на нашей планете - появилась жизнь, которая продолжает усложняться. Усложняются как организмы так и биоценозы, разумная жизнь строит все усложняющиеся искусственные системы. Возможно, существуют и другие такие «точки роста» сложности, можно предположить появление каких-то связей между ними. Возникает вопрос: до чего же этот процесс может дойти? Что ожидает нас и всю нашу Вселенную вообще где-то в бесконечно отдаленном будущем?
Для Вселенной возможны два варианта, выбор между которыми зависит от средней плотности вещества в ней. Если плотность вещества меньше некоторой критической величины, Вселенная будет расширяться бесконечно. Если больше - силы гравитации смогут остановить разлет небесных тел и расширение сменится сжатием. Критическую плотность можно оценить, зная гравитационную постоянную G и постоянную Хаббла H:
r крит =3H 2 /8pG ~ 10 -32 кг/м 3
Какова действительная плотность вещества во Вселенной, точнее, больше или меньше она критической, неизвестно. Если учитывать только видимое, светящееся вещество, плотность оказывается значительно (в 30 раз) меньше критической. Однако, многие факты указывают на существование намного большей невидимой, «скрытой» массы. Сейчас считается, что средняя плотность Вселенной скорее всего все же немного меньше критической, но полной уверенности в этом нет. Не исключено, что она в точности равна критической и это не случайное совпадение. Так что имеет смысл рассмотреть оба варианта развития.
Рассмотрим сначала первый - «открытую», бесконечно расширяющуюся Вселенную.
Непрерывное расширение сопровождается рассеянием энергии. Локальные «резервуары» концентрированной энергии - звезды - расходуют свое ядерное горючее, сбрасывают и рассеивают в конце жизни часть своей массы и превращаются в мертвые, медленно остывающие остатки либо (при достаточной массе) в «черные дыры». Из сброшенного газа могут возникать звезды следующего поколения, но их становится все меньше и меньше, пока этот процесс не прекращается совсем. Полное угасание всех звезд должно завершиться примерно через 10 14 (сто триллионов) лет. Останутся мертвые остывшие звезды и черные дыры, образующие галактики, а также планеты, небольшое количество очень рассеянного газа и пыли и непрерывно теряющее энергию излучение.
На следующем этапе должна произойти потеря звездами своих планетных систем и потеря галактиками звезд. И то и другое будет результатом тесных сближений звезд, когда гравитационное взаимодействие приводит к обмену импульсом, так что отдельные объекты выбрасываются из связанной системы. При этом планеты будут оторваны от своих звезд, большая часть звезд (примерно 90%) будет выброшена, «испарится», из галактик, а оставшиеся, потеряв импульс, соберутся в массивную черную дыру. Этот процесс идет и сейчас, но очень медленно. Зкончиться он должен через 10 18 лет. К этому времени не будет галактик, останутся лишь равномерно рассеянные погасшие звезды и черные дыры.
Последние этапы эволюции связаны с квантовыми эффектами и следствиями еще во многом гипотетических представлений, вытекающих из теорий объединения фундаментальных взаимодействий. Теория «великого объединения» - объединения сильных и электрослабых взаимодействий - предсказывает конечное времени жизни протона, равное 10 30 -10 32 лет. Если это так, то через промежуток времени такого порядка протоны распадутся и все вещество звезд превратится в электроны, позитроны и нейтрино.
Останутся еще массивные черные дыры. Но оказалось, что и они не вечны. Черные дыры способны «испаряться» благодаря квантовым эффектам. В соответствии с принципом неопределенности вблизи «горизонта» на границе черной дыры возможно возникновение пар частиц, одна из которых остается под горизонтом, а вторая излучается, унося массу и энергию от черной дыры. Этот процесс для массивных черных дыр очень медленный (тем медленнее, чем больше масса дыры) и завершение его требует времени порядка 10 100 лет. После этого кроме невероятно разреженных электронов, позитронов, нейтрино и фотонов не останется ничего.
Что же будет, если средняя плотность превышает критическую? В этом случае расширение сменится сжатием. Как оно будет происходить зависит от того как долго перед этим будет продолжаться расширение. Если плотность лишь ненамного больше критической в процессе расширения (а реально, если она все-таки больше, то только ненамного), то к моменту начала сжатия Вселенная будет состоять лишь из мертвых звезд, черных дыр, нейтрино и фотонов. При сжатии энергия фотонов будет возрастать (благодаря «фиолетовому смещению») причем возрастать в большей степени, чем она убывала при расширении. Фотоны разогреют и испарят мертвые звезды. При увеличении плотности все рассеянное вещество будет поглощаться черными дырами, а в конце все черные дыры сольются в одну гигантскую. При этом не только все вещество сольется и коллапсирует, но само пространство свернется. Может ли такая коллапсирующая масса перейти в сингулярность с бесконечной плотностью и как бы она могла это сделать - неизвестно, современная наука описать это не может. Правда не исключено, что, прежде чем плотность станет бесконечно большой, какой-нибудь неизвестный нам пока механизм может привести к так называемому «отскоку» Вселенной, и снова начнется процесс ее расширения.
Возможность «отскока» рассматривалась и описывалась теоретиками. Здесь вероятна цикличность, когда циклы расширения и сжатия чередуются. При этом каждый следующий цикл оказывается примерно вдвое продолжительнее предыдущего. Таким образом продолжительность стадии расширения может стать такой большой, что захватит и этап распада протона. Тогда новое сжатие начнется в состоянии, когда отсутствуют адроны, а энергия определяется фотонами, образовавшимися при распаде протонов. В этом случае продолжительность следующего цикла уже не удвоится, а удлиннится по крайней мере в 1000 раз. В конце концов очередной цикл практически не будет отличаться от бесконечного расширения. Вообще теоретический анализ такой пульсирующей Вселенной приводит ко многим весьма интересным следствиям, но следует помнить, что сам «отскок» остается гипотезой.
Посмотрим теперь как во все эти сценарии эволюции Вселенной вписывается эволюция структур и, прежде всего, жизни. Динамический диссипативный характер структур требует для их существования потока рассеяния энергии и вещества и соответствующих градиентов концентрации. В начале расширения концентрация энергии и вещества очень высока, а градиенты малы, что препятствует образованию сложных структур. Уменьшение концентраций и усиление неоднородностей в распределении этих концентраций приводит к возникновению все более сложных структур - это мы видим вокруг себя сейчас. Однако, дальнейшее рассеяние вещества и энергии должно привести к уменьшению градиентов и интенсивности потоков энергии, которые окажутся недостаточными для обеспечения существования сложных структур, таких как жизнь. Очевидно, что в развитии расширяющейся Вселенной должен существовать некий пик структурной сложности , после которого она пойдет на убыль. Добралась ли наша Вселенная до такого пика, или максимум еще впереди? Точно сказать нельзя, но во всяком случае мы где-то в районе максимума, который должен быть очень пологим, растянутым на десятки миллиардов лет.
Надо сказать, что если наша Вселенная не «открытая» и расширение когда-то сменится сжатием, в развитии ее структурированности ничего не изменится. На стадии расширения точно так же будет пик максимальной сложности структур и затем упрощение. На стадии сжатия нового усложнения структуры уже не будет - цикл несимметричен. Для возникновения структур необходима диссипация.
Посмотрим теперь как может выглядеть наша собственная судьба, связанная с нашей маленькой планетой. Увеличение численности людей, разрастание искусственной среды обитания уже подошло к своему пределу. Необходима стабилизация как численности населения так и уровня потребления всевозможных первичных ресурсов. Причем для многих видов ресурсов необходима не стабилизация а резкое сокращение потребления. Например запасов руд металлов цинка, олова, ртути и свинца при нынешнем потреблении хватит лишь примерно лишь на 20 лет. Других - больше, но все так называемые невозобновимые ресурсы должны истощиться.
Это, вообще говоря, не очень страшно. Название «невозобновимые» условно. Любое вещество как-то измененное или рассеянное может быть снова сконцентрировано, очищено и вовлечено в оборот, только по мере истощения богатых природных концентратов - руд - это будет требовать все больше затрат энергии . Затраты энергии связаны с ее рассеянием, диссипацией. Это все тот же общий закон: возникновение и существование стабильных структур требует увеличения рассеяния энергии, понижения ее качества - производства избыточной энтропии. Необходимый поток энергии нам обеспечивает Солнце. Следовательно возможность усложнения структуры среды обитания человека, в принципе, ограничена величиной потока энергии от Солнца. И само существование этой структуры возможно лишь пока светит Солнце.
Солнце будет светить долго, но не вечно. Оно должно погаснуть, предварительно раздувшись и без взрыва или со взрывом сбросив значительную часть вещества. Если предположить, что человечество не исчезнет раньше и достигнет огромной технологической мощи, можно допустить, что оно сможет заблаговременно вместе со своей планетой (или без нее) перебраться к другой подходящей звезде, и так далее. Однако, каждое угасание звезды оставляет мертвый остаток, который исключается из дальнейших преобразований. Количество газа, из которого могут образовываться новые звезды, быстро уменьшается, и в конце-концов звезды погаснут все. Очень развитое человечество сможет держаться и тут еще очень долго, экономно сжигая в термоядерной топке запасы водорода больших планет, но в конце-концов и разумная жизнь и вся накопленная в созданных структурах информация исчезнет вместе с нашей Вселенной.
К такому выводу приводит современный уровень знаний. Что будет «потом»? «Потом» не будет, ибо вместе с нашей Вселенной умрет и наше время и наше пространство. Но современная наука говорит о том, что наша Вселенная не может быть единственной. Флуктуации чего-то первичного могут порождать бесконечное множество других вселенных, возможно с другой размерностью и вообще с другими свойствами, в которых тоже развитие может привести к самопознанию.
Мы пришли к выводу, что все реальное и конкретное вокруг нас конечно во времени и пространстве так же как конечна жизнь человека. Бесконечность отодвинулась в область принципиально недостижимого. Сейчас мы можем допустить существование множества миров, возможно и бесконечного множества, возникающих и вырастающих из флуктуаций в некоторой первичной сущности как пузыри в пенящейся жидкости. Эти миры независимы и неспособны обмениваться информацмей. Мы способны познать наш мир, который имеет свою специфическую метрику и пространственно-временную структуру. Он, очевидно, имеет «начало» и «конец». Мы ставим эти слова в кавычки, так как в «начале», по крайней мере, само понятие времени еще не существовало. С того момента, как появилось время в качестве характеристики нашего мира, он развивается от рождения к смерти как от начального бесструктурного состояния к конечному также бесструктурному через очень продолжительный этап «зрелости», характеризующийся возникновением очень сложной структуры. Сейчас идет процесс непрерывного усложнения структуры Вселенной, который, повидимому будет продолжаться еще много миллиардов лет.
Вопросы к главам 5 и 6.
1. Что мы знаем о проблеме возникновения жизни?
2. Как связана эволюция организмов, видов и биосферы?
3. Причина и механизм эволюции жизни по Дарвину. Трудности дарвиновской теории.
4. Как в настоящее время “подправлена” дарвиновсая теория?
5. Особенности биосферы как системы. Чем обеспечивается ее устойчивость?
6. Связь эволюции жизни с общей эвлюцией нашей Вселенной. Единство общих механизмов.
7. Особенности эволюции человека как биологического вида и эволюции биосферы после появления человека.
8. Каковы основные неблагоприятные результаты воздействия человека на биосферу?
9. Чем опасно создание искусственной благоприятной для жизни человека среды – интенсивное сельское хозяйство, культурные парки, “безотходная” промышленность с замкнутыми циклами, - к чему сремятся густонаселенные “развитые” страны?
10. Какие возможны варианты выхода из глобального экологического кризиса?
11. Есть ли жизнь на других планетах Солнечной Системы?
12. Есть ли жизнь в других частях Вселенной?
13. Какова дальнейшая судбба нашей Вселенной?
14. Какой может быть дальнейшая судьба человечества?
Мы нарисовали современную научную картину мира и показали в самом общем виде каким образом она строилась человеком. Представление о мире в целом, как об упорядоченной системе и понимание своего места в ней необходимо человеку для его существования. Человек начал упорядочивать окружающий мир как только осознал себя, создавая систему мифов. Позже основой системы мира стала наука.
Наука - сфера человеческой деятельности, функция которой - выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о действительности. Потребность в таких систематических знаниях, в упорядочении окружающего мира заложена в самой природе человека.
Две стороны науки - добывание фактов, характеризующих окружающий мир и их систематизация - связаны неразрывно. Получение новых объективных научных данных при отсутствии какой-либо исходной теоретической концепции так же невозможно, как и построение чисто умозрительной теории. С первого взгляда представляется, что научная деятельность должна начинаться с «непредвзятого» накопления фактов, но присмотревшись внимательнее нетрудно заметить, что это практически неосуществимо. Ответ на вопрос: «с чего следует начинать?» столь же труден, как ответ на вопрос: «что было раньше: курица или яйцо?».
Наука отвечает на вопрос: «как устроен мир?». Работа науки заключается в поисках связей между фактами, в обнаружении закономерностей , которые позволяют предсказывать новые факты. При этом наука опирается на определенные фундаментальные концепции, которые в известной мере находятся за пределами собственно науки и играют примерно такую же роль как основные постулаты в геометрии. Это концепции объективного существования, единства и простоты мира.
Знание закономерностей позволяет объяснять и предсказывать новые факты посредством логических умозаключений , однако логическая экстраполяция закономерности за пределы той области, в которой она была установлена эмпирически, рано или поздно приводит к противоречиям с существующими фактами. Новые факты не всегда удается вообще логически увязать со старыми путем простого эмпирического обобщения в рамках существующего общего взгляда на мир. В этом случае движение вперед возможно только с помощью радикального пересмотра основных положений, включения новых идей, рождающихся интуитивно, на основе подсознательной обработки всего предшествовавшего опыта.
Конкретным продуктом науки является последовательность теоретических моделей природных процессов и явлений. Модель всегда приближенно отражает явление, так как исчерпывающе полное знание об объекте не достижимо за конечный промежуток времени. Но, несмотря на это, возможно построение адекватных, то есть правильно описывающих все важные для нас стороны явления,моделей, что вытекает из фундаментальных концепций.
В построении картины окружающего мира участвуют более конкретные концепции, главные из которых это концепции стационарности и нестационарности , элемента, континуальная икорпускулярная, пространства, времени, взаимодействия.
Пространство и время согласно современным представлениям образуют единый пространственно-временной континуум, свойствакоторого неразравно связаны со свойствами материи . В то же время для описания устройства и эволюции множества структур нашего мира обычно достаточно рассматривать материю, распределенную в независящим от нее пространстве, и изменяющуюся в независимо текущем времени.
Сейчас можно считать доказанным, что наш мир нестационарен , однако, при описании большого количества процессов и явлений успешно используется концепция стационарности, поцессы и явления описываются в рамках стационарной модели .
Концепции континуальная икорпускулярная стали выглядеть по-новому после появления квантовой механики. Основная идея квантовой механики - пространственно-временная дискретность всех свойств материи. Но в то же время принцип неопределенности, принципиально вероятностный характер квантовых процессов размазывает эту дискретность в соответствии с непрерывным распределением плотности вероятности проявления того или иного свойства.
Основные свойства объектов макромира могут быть выведены из свойств элементарных частиц и их взаимодействий на основе корпускулярной концепции, но успешно описываются и анализируются с помощью континуальной концепции при использовании усредненных характеристик.
Связи , возникающие в результате взаимодействий , приводят к возникновению структур. Закономерное, упорядоченное расположение элементов и тел в пространстве мы называем пространственной структурой, упорядоченный процесс изменения пространственной структуры во времени может быть назван временной структурой. В едином пространстве-времени наш мир образует пространственно-временную структуру.
Хотя в основе всех сложных взаимодействий лежат лишь четыре фундаментальных , используя только законы этих фундаментальных взаимодействий, невозможно объяснить образование всех наблюдаемых структур. В больших, многочастичных системах возникают коллективные эффекты, приводящие к качественно новым явлениям. Изучением больших систем с помощью их обобщенных характеристик занимается термодинамика. Изучение коллективных эффектов и механизма образования макроструктур - предмет синергетики.
Основными понятиями термодинамики являются энергия и энтропия. Энергия определяется как фундаментальное, сохраняющееся во всех процессах свойство материи, количественно измеряемое величиной механической работы, в которую она при определенных условиях может быть превращена. Энтропию можно определить как меру качества энергии, содержащейся в системе, или меру ее реальной способности произвести работу без привлечения внешних воздействий или меру вероятности состояния системы (степени ее неупорядоченности).
Через эти понятия формулируются два основных закона или начала термодинамики - закон сохранения энергии и закон возрастания энтропии . Второй из них гласит, что в изолированной системе могут протекать только процессы, связанные с увеличением ее энтропии.
Наша Вселенная в целом представляет собой изолированную систему и поэтому энтропия ее должна возрастать, что мы и наблюдаем. Возрастание энтропии означает возрастание беспорядка, сглаживание всех неоднородностей, градиентов, понижение качества энергии, исчезновение структур. Однако, реально мы видим, что Вселенная глубоко структурирована, а непосредственно вокруг нас эволюция идет в сторону повышения сложности. Такова эволюция географической оболочки Земли и биосферы.
Причина этого в том, что расширение Вселенной порождает направленный поток диссипации, котрый приводит к катастрофическому росту отдельных флуктуаций и возникновению диссипативных структур. Возникающие структуры связаны с избыточным производством энтропии, хотя локально и наблюдается ее уменьшение. Диссипативные структуры представляют собой динамические системы, далекие от равновесия, существующие благодаря непрерывному обмену энергией и веществом с окружающей средой. На определенных этапах они могут переходить в метастабильные или кавзиравновесные системы.
С понятием структура тесно связано понятие устойчивость , которое означает сохранение всех основных качественных характеристик системы при любых изменениях управляющих параметров в пределах некоторого конечного диапазона.Без устойчивости потеряло бы смысл само понятие структура.
Эволюция структур происходит через потерю устойчивости путем скачкообразного перехода в новое устойчивое состояние, к новой структуре. Скачки при эволюции означают дискретность во времени - неминуемое следствие самого наличия структур - дискретности в пространстве. Можно сказать и наоборот, что дискретность в пространстве есть следствие дискретности во времени. пространственно-временная структурированность – это общее свойство нашего мира.
Эволюция сейчас идет в сторону повышения сложности структур, но более сложные структуры охватывают все меньшую часть материи. Простейшие макроструктуры - первоначальные гравитационные неоднородности – охватывали все вещество; объединенные в галактики звезды главной последовательности включают лишь какие-то проценты всей массы Вселенной; возникшие вместе со звездами второго поколения планеты земной группы составляют лишь малую долю процента от массы звезд; и, наконец, наиболее сложная структура – жизнь – составляет лишь тонкую пленку на поверхности, ничтожную долю процента от массы некоторых планет земной группы. А может быть и не "некоторых", а всего одной, хотя это кажется маловероятным, противоречащим концепции единства мира. Но доказательств обратного – более широкой распространенности жизни во Вселенной – пока нет.
Последний структурный скачок усложнения связан с появлением разумной жизни, осознавшей себя и начавшей переделывать остальную биосферу, превращая ее в ноосферу. Этот скачок еще не завершился. Какой будет ноосфера и возникнет ли такая устойчивая структура вообще пока неизвестно. Главная проблема стоящая перед человеком – это не погибнуть в результате потери устойчивости биосферы и ее разрушения из-за его деятельности прежде чем возникнет новая устойчивая структура.
Будущее Вселенной - вопрос, рассматриваемый в рамках физической космологии. Различными научными теориями предсказано множество возможных вариантов будущего, среди которых есть мнения как об уничтожении, так и о бесконечной жизни Вселенной.
После того как теория о создании Вселенной посредством Большого взрыва и её последующем быстром расширении была принята большинством учёных, будущее Вселенной стало вопросом космологии, рассматриваемым с разных точек зрения в зависимости от физических свойств Вселенной: её массы и энергии, средней плотности и скорости расширения.
Вселенная и в наши дни продолжает свою эволюцию, так как эволюционируют её части. Время этой эволюции для каждого типа объектов разнится более, чем на порядок. И когда жизнь объектов одного типа заканчивается, то у других всё только начинается. Это позволяет разбить эволюцию Вселенной на эпохи. Однако конечный вид эволюционной цепи зависит от скорости и ускорения расширения: при равномерной или почти равномерной скорости расширения будут пройдены все этапы эволюции и будут исчерпаны все запасы энергии. Этот вариант развития называется тепловой смертью.
Если скорость будет всё нарастать, то, начиная с определённого момента, сила, расширяющая Вселенную, сначала превысит гравитационные силы, удерживающие галактики в скоплениях. За ними распадутся галактики и звёздные скопления. И, наконец, последними распадутся наиболее тесно связанные звёздные системы. Спустя некоторое время, электромагнитные силы не смогут удерживать от распада планеты и более мелкие объекты. Мир вновь будет существовать в виде отдельных атомов. На следующем этапе распадутся и отдельные атомы. Что последует за этим, точно сказать невозможно: на этом этапе перестает работать современная физика.
Вышеописанный сценарий - это сценарий Большого разрыва.
Существует и противоположный сценарий - Большое сжатие. Если расширение Вселенной замедляется, то в будущем оно прекратится и начнётся сжатие. Эволюция и облик Вселенной будут определяться космологическими эпохами до того момента, пока её радиус не станет в пять раз меньше современного. Тогда все скопления во Вселенной образуют единое мегаскопление, однако галактики не потеряют свою индивидуальность: в них всё также будет происходить рождение звёзд, будут вспыхивать сверхновые и, возможно, будет развиваться биологическая жизнь. Всему этому придёт конец, когда Вселенная ужмётся ещё в 20 раз и станет в 100 раз меньше, чем сейчас; в тот момент Вселенная будет представлять собой одну огромную галактику.
Температура реликтового фона достигнет 274 К и на планетах земного типа начнёт таять лёд. Дальнейшее сжатие приведёт к тому, что излучение реликтового фона затмит даже центральное светило планетной системы, выжигая на планетах последние ростки жизни. А вскоре после этого испарятся или будут разорваны на куски сами звёзды и планеты. Состояние Вселенной будет похоже на то, что было в первые моменты её зарождения. Дальнейшие события будут напоминать те, что происходили в начале, но промотанные в обратном порядке: атомы распадаются на атомные ядра и электроны, начинает доминировать излучение, потом начинают распадаться атомные ядра на протоны и нейтроны, затем распадаются и сами протоны и нейтроны на отдельные кварки, происходит великое объединение. В этот момент, как и в момент Большого взрыва, перестают работать известные нам законы физики и дальнейшую судьбу Вселенной предсказать невозможно.
Космологические эпохи
Введем понятие космологической декады (η) как десятичный показатель степени возраста Вселенной в годах:
Эпоха звёзд (6 Это время уже без каких-либо источников энергии. Сохранились только остаточные продукты всех процессов, происходящих в прошлых декадах: фотоны с огромной длиной волны, нейтрино, электроны и позитроны. Температура стремительно приближается к абсолютному нулю. Время от времени позитроны и электроны образуют неустойчивые атомы позитрония, долгосрочная судьба их - полная аннигиляция.
В научном мире принято считать, что Вселенная произошла в результате Большого взрыва. Строится данная теория на том, что энергия и материя (основы всего сущего) ранее находились в состоянии сингулярности. Оно, в свою очередь, характеризуется бесконечностью температуры, плотности и давления. Состояние сингулярности само по себе отвергает все известные современному миру законы физики. Ученые считают, что Вселенная возникла из микроскопической частицы, которая в силу неизвестных пока причин пришла в далеком прошлом в нестабильное состояние и взорвалась.
Термин «Большой взрыв» стал применяться с 1949 года после публикации в научно-популярных изданиях работ ученого Ф.Хойла. Сегодня теория «динамической эволюционирующей модели» разработана настолько хорошо, что физики могут описать процессы, происходящие во Вселенной уже через 10 секунд после взрыва микроскопической частицы, положившей начало всему сущему.
Доказательств теории существует несколько. Одним из главных является реликтовое излучение, которое пронизывает всю Вселенную. Оно могло возникнуть, по мнению современных ученых, только в результате Большого взрыва, благодаря взаимодействию микроскопических частиц. Именно реликтовое излучение позволяет узнать о тех временах, когда Вселенная была похожа на пылающее пространство, а звезд, планет и самой галактики не было и в помине. Вторым доказательством рождения всего сущего из Большого взрыва считается космологическое красное смещение, заключающееся в уменьшении частоты излучения. Это подтверждает удаление звезд, галактик от Млечного пути в частности и друг от друга в целом. То есть, свидетельствует о том, что Вселенная расширялась ранее и продолжает это делать до сих пор.
Краткая история Вселенной
- 10 -45 - 10 -37 сек - инфляционное расширение
- 10 -6 сек - возникновение кварков и электронов
- 10 -5 сек - образование протонов и нейтронов
- 10 -4 сек - 3 мин - возникновение ядер дейтерия, гелия и лития
- 400 тыс. лет - образование атомов
- 15 млн. лет - продолжение расширения газового облака
- 1 млрд. лет - зарождение первых звезд и галактик
- 10 - 15 млрд. лет - появление планет и разумной жизни
- 10 14 млрд. лет - прекращение процесса рождения звезд
- 10 37 млрд. лет - истощение энергии всех звезд
- 10 40 млрд. лет - испарение черных дыр и рождение элементарных частиц
- 10 100 млрд. лет - завершение испарения всех черных дыр
Теория Большого взрыва стала настоящим прорывом в науке. Она позволила ученым ответить на множество вопросов относительно рождения Вселенной. Но одновременно эта теория породила новые загадки. Главная из них заключается в причине самого Большого взрыва. Второй вопрос, на который нет ответа у современной науки - как появилось пространство, время. По мнению некоторых исследователей, они родились вместе с материей, энергией. То есть, являются результатом Большого взрыва. Но тогда получается, что и у времени, пространства должно быть какое-то начало. То есть, некая сущность, постоянно существующая и не зависящая от их показателей, вполне могла положить начало процессам нестабильности в микроскопической частице, породившей Вселенную.
Чем больше исследований проводится в этом направлении, тем больше вопросов возникает у астрофизиков. Ответы на них ждут человечество в будущем.
Из теории Фридмана следует, что возможны различные сценарии эволюции Вселенной: неограниченное расширение, чередование сжатий и расширений и даже тривиальное стационарное состояние. Какой из этих сценариев реализуется - зависит от соотношения между критической и фактической плотностью вещества во Вселенной на каждом этапе эволюции. Для того, чтобы оценить значения этих плотностей, рассмотрим сначала, как астрофизики представляют себе структуру Вселенной.
В настоящее время считается, что материя во Вселенной существует в трех формах: обычное вещество, реликтовое излучение и так называемая «темная» материя. Обычное вещество сосредоточено в основном в звездах, которых только в нашей Галактике насчитывается около ста миллиардов. Размер нашей Галактики составляет 15 килопарсек (1 парсек = 30,8 10 12 км). Предполагается, что во Вселенной существует до миллиарда различных галактик, среднее расстояние между которыми имеет порядок одного мегапарсека. Эти галактики распределены крайне неравномерно, образуя скопления (кластеры). Однако, если рассматривать Вселенную в очень большом масштабе, например, «разбивая» ее на «ячейки» с линейным размером, превышающим 300 мегапарсек, то неравномерность структуры Вселенной уже не будет наблюдаться. Таким образом, в очень больших масштабах Вселенная является однородной и изотропной. Вот для такого равномерного распределения вещества можно рассчитать плотность в, которая составляет величину 310 -31 г / см 3 .
Эквивалентная реликтовому излучению плотность р 510 -34 г / см 3 , что много меньше в и, следовательно, может не приниматься в расчет при подсчете общей плотности материи во Вселенной.
Наблюдая за поведением галактик, ученые предположили, что помимо светящегося, «видимого» вещества самих галактик в пространстве вокруг них существуют, по-видимому, значительные массы вещества, наблюдать которые непосредственно не удается. Эти «скрытые» массы проявляют себя только тяготением, которое сказывается на движении галактик в группах и скоплениях. По этим признакам оценивают и связанную с этой «темной» материей плотность т, которая, по расчетам, должна быть примерно в ~ 30 раз больше, чем в. Как будет видно из дальнейшего, именно «темная» материя является, в конечном счете, «ответственной» за тот или иной «сценарий» эволюции Вселенной 1 .
Чтобы убедиться в этом, оценим критическую плотность вещества, начиная с которой «пульсирующий» сценарий эволюции сменяется «монотонным». Такую оценку, хотя и достаточно грубую, можно произвести на основании классической механики, без привлечения общей теории относительности. Из современной астрофизики нам потребуется только закон Хаббла.
Вычислим энергию
некоторой галактики, имеющей массу m,
которая находится на расстоянии L
от «наблюдателя» (рис.10.2). Энергия Е
этой галактики складывается из
кинетической энергии
и потенциальной энергии
,
которая связана с гравитационным
взаимодействием галактикиm
с веществом массы M
,
находящимся внутри шара радиуса L
(можно показать, что вещество, находящееся
вне шара, не вносит вклада в потенциальную
энергию). Выразив массу M
через плотность ,
,
и учитывая закон Хаббла, запишем выражение
для энергии галактики:
Рис. 10.2 К расчету критической плотности вещества Вселенной
Из этого выражения видно, что в зависимости от значения плотности энергия Е может быть либо положительной (Е 0), либо отрицательной (Е 0). В первом случае рассматриваемая галактика обладает достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть гравитационное притяжение массы М и удалиться на бесконечность. Это соответствует неограниченному монотонному расширению Вселенной (модель «открытой» Вселенной).Во втором случае (Е < 0) расширение Вселенной в какой-то момент прекратится и сменится сжатием (модель «замкнутой» Вселенной). Критическое значение плотности соответствует условию Е = 0, поэтому получаем
Подставив в это выражение известные значения Н = 15 ((км/с)/10 6 световых лет) и G = 6,6710 -11 м 3 /кг с 2 , получаем значение критической плотности к 10 -29 г / см 3 . Таким образом, если бы Вселенная состояла только из обычного “видимого” вещества с плотностью в 310 -31 г / см 3 , то ее будущее было бы связано с неограниченным расширением. Однако, как было сказано выше, наличие «темной» материи с плотностью т в может привести к пульсирующей эволюции Вселенной, когда период расширения сменяется периодом сжатия (коллапсом) (рис.10.3). Правда, в последнее время ученые все больше приходят к мысли, что плотность всей материи во Вселенной, включая и «темную» энергию, в точности равна критической. Почему это так? На этот вопрос ответа пока нет.
Рис. 10.3. Расширение и сжатие Вселенной
10.5 Иерархичность структуры ВселеннойФундаментальные константы играют важную роль в построении масштабов нашего мира. Они позволяют дать некую иерархическую картину структуры Вселенной. Это можно пояснить графически представлениями изменения размеров тел и расстояний, а также их масс (рис. 10.4 и 10.5). Действительно, наиболее естественными и наглядными квалификационными признаками являются размер объекта и его масса. Выделяют
Микромир с характерными размерами меньше, чем 10 -8 м (частицы, ядра, атомы, молекулы),
Макромир (макромолекулы, кристаллы жидкости, газы, живые организмы, человек, объекты техники, т.е. макротела)
Мегамир (планеты, звезды, галактики).
Понятно, что границы микро- и макромира подвижны, и не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты, построены из микрообъектов и в основе макро- и мегаявлений лежат микроявления. Это наглядно видно на примере построения Вселенной из взаимодействующих элементарных частиц в рамках космомикрофизики. На самом деле мы должны понимать, что речь идет лишь о различных уровнях рассмотрения вещества. Микро-, макро- и мегаразмеры объектов соотносятся друг с другом как макро/микро ~ мега/макро. В классической физике отсутствовал объективный критерий отличия макро- от микрообъекта. Это отличие ввел М. Планк: если для рассматриваемого объекта минимальным воздействием (квант действия) на него можно пренебречь, то это макрообъекты, если нельзя - это микрообъект.
Кварки «являются» составной частью протонов и нейтронов, затем из них образуются ядра атомов. Атомы объединяются в молекулы. Если двигаться дальше по шкале размеров тел, то далее следуют обычные макротела, планеты и их системы, звездные скопления галактик и метагалактик, т.е. можно представить переход от микро-, макро- и мега- как в размерах, так и моделях физических процессов. Фундаментальные мировые константы определяют масштабы иерархической структуры материи нашего мира. Очевидно, что сравнительно небольшое их изменение и должно приводить к формированию качественно иного мира, в котором стало бы невозможным образование ныне существующих микро-, макро- и мегаструктур и в целом высокоорганизованных форм живой материи. Имеющая место «подгонка» мировых констант, т.е. определенные их значения и взаимоотношения между ними, по существу, и обеспечивает структурную устойчивость нашей Вселенной. Поэтому проблема, казалось бы, абстрактных мировых констант имеет глобальное мировоззренческое значение.
Антропный принцип требует также, чтобы средняя плотность вещества Вселенной ρ ср была бы близка к критической ρ кр, так как при ρ ср << ρ кр следует, что время существования нашего мира было бы настолько мало, что за это время жизнь не могла бы возникнуть.
Однако современная наука не дает однозначного ответа, какое из этих отношений между ρ кр и ρ ср справедливо, поскольку часть вещества находится в «невидимом» состоянии. Оценка же дает близкие значения ρ кр ≈ 10 -29 г/см 3 , ρ ср ≈ 10 -30 г/см 3 , откуда следует, что уже в рамках ньютоновской механики следует возможность нестационарной или, как мы уже знаем, пульсирующей Вселенной. Из таких вариантов эволюции Вселенной можно сделать следующие выводы: из термодинамических соображений следует, что Вселенную в целом можно рассматривать как открытую систему, в которой происходят необратимые и неравновесные процессы. Во всяком случае, ρ ср и ρ кр близки по своим значениям, и, следовательно, антропный принцип выполняется. Заметим также, что радиус R не должен быть больше критического R кр = 2Gm/c 2 , поскольку в нашем миропонимании и признании ОТО скорость разбегания Галактик не должна превышать скорость света (ν < с ). Показано, что при ρ кр ≈ ρ ср пространство может считаться псевдоевклидовым и число пространственных измерений опять же сводится к трем. Это вообще не удивительно, так как модель развита в рамках теории Ньютона. Заметим еще один интересный результат, полученный в 20-х годах П. Эренфестом (1880-1933): при четном числе пространственных координат не должно существовать замкнутых орбит планет и невозможна передача информации путем волн, что может служить дополнительным свидетельством в пользу трехмерности пространства и правильности антропного принципа.
