280 (Узловые вопросы теории "Большого Взрыва")

РЕФЕРАТпо Астрономии

на тему:

Узловые вопросы теории «Большого Взрыва»

выполнил:

ученик 11 класса «Ж» средней школы №27

Малышев Андрей Юрьевич.

Москва

2002

Был ли большой взрыв?

В наше время существуют две основных научных теории возникновения Вселенной. Согласно теории стабильного состояния материя, энергия, пространство и время существовали всегда. Но тут же возникает логичный вопрос: почему сейчас никому не удается создать материю и энергию? Это утверждает Первый закон термодинамики, ни одного исключения из которого не удалось обнаружить. Напротив, всё стремится к распаду и разрушению. Энергия иссякает, становясь все менее способной к совершению работы (это называют Вторым законом термодинамики). Бесконечно старая Вселенная должна быть полностью лишена полезной энергии и каких-либо изменений - достигнуть состояния, называемого тепловой смертью.

Самая популярная теория происхождения Вселенной, поддерживаемая большинством теоретиков - теория большого взрыва. Подобно библейскому повествованию о сотворении она утверждает, что Вселенная возникла внезапно, но это было случайное событие, произошедшее миллиарды лет назад Оценка возраста Вселенной последнее время колебалась в пределах 8-20 миллиардов лет. Сейчас речь ведется о 12 миллиардах лет.

Теорию большого взрыва предложили в 20-х годах XX века ученые Фридман и Леметр, в сороковых годах ее дополнил и переработал Гамов. Согласно этой теории когда-то наша Вселенная представляла собой бесконечно малый сгусток, сверхплотный и раскаленный до очень высоких температур. Это нестабильное образование внезапно взорвалось, пространство быстро расширилось, а температура разлетающихся частиц, обладающих высокой энергией, начала снижаться. Примерно после первого миллиона лет атомы двух самых легких элементов, водорода и гелия, стали стабильными. Под действием сил притяжения начали концентрироваться облака материи. В результате сформировались галактики, звезды, и другие небесные тела Звезды старели, взрывались сверхновые, после чего появлялись более тяжелые элементы. Они формировали звезды более позднего поколения, такие, как наше Солнце. В качестве доказательств того, что в свое время произошел большой взрыв, говорят о красном смещении света от объектов, расположенных на больших расстояниях и микроволновом фоновом излучении.

Красное смещение

Наблюдаемый спектр элементов, находящихся от нас на очень большом расстоянии, в общем таков же, как и на Земле, но спектральные линии сдвинуты в низкочастотную область - к большей длине волны. Это явление называют красным смещением. Его пытаются объяснить тем, что Земля и объект разлетаются с большой скоростью в разные стороны. Следуя такой теории, если проследить этот процесс в прошлое, все должно было начаться из одной точки большого взрыва.

Вполне возможно, что красное смещение в спектре дальних галактик происходит из-за их удаления от нас. Библия говорит о том, что Господь распростер небеса. Действие этого движения противоположно действию сил притяжения, что стабилизирует всю систему. Однако если небеса были созданы со “встроенной” кинетической энергией только несколько тысяч лет назад, то при попытке заглянуть в более древнее время мы можем прийти к ложным заключениям.

Положение, сложившееся в обозримой Вселенной, к нашему времени может дать нам некоторое понимание происходящего в прошлом, но утверждать что-либо с полной уверенностью мы не можем.

Еще одно возможное объяснение красного смещения - гравитационное притяжение света, исходящего от галактики или звезды. Крайним случаем этого эффекта может быть черная дыра, в которой свет вовсе не может преодолеть гравитационное притяжение (В соответствии с теорией черные дыры возникли в результате гравитационного свертывания (коллапса) старых, истощенных звезд-гигантов. Из-за особенностей строения и функционирования черных дыр обнаружить их чрезвычайно трудно. К нынешнему дню мы не можем с уверенностью утверждать, найдена ли хоть одна из них).

Ученые предположили, что красное смещение может происходить из-за снижения со временем скорости света. Такой эффект способен породить и фоновое излучение.

Фоновое излучение

Теоретики предположили, что “эхо” первичного большого взрыва тоже претерпело красное смещение, и искать его теперь нужно в микроволновом диапазоне спектра. В 1965 году А. Пензиас и Р. Уилсон обнаружили микроволновое фоновое излучение с температурой всего 3⁰ выше абсолютного нуля. Может ли это быть доказательством большого взрыва?

Фоновое излучение приблизительно в 3⁰К совершенно одинаково во всех направлениях, т.е. изотропно. Вселенная состоит из огромных пустых пространств и гигантских скоплений галактик. Если излучение свидетельствует о прошлом Вселенной, то оно не должно быть изотропным. Именно из-за этого несоответствия НАСА послала специальный спутник с целью более точного измерения фонового излучения. И опять-таки оказалось, что излучение совершенно одинаково во всех направлениях. Однако с помощью многократного компьютерного усиления сигнала астрономы получили, наконец, долгожданную анизотропию. Разница температур составляла миллионные доли градуса. 1 мая 1992 года в журнале “Science” была напечатана статья, в которой сказано, что разница температур “находится намного ниже уровня шумов измерительных приборов”.

Нечто из ничего

Астроном Дэвид Дарлинг в статье в “New Scientist” предостерегает: “Не позволяйте толкователям космологии одурачить вас. У них тоже нет ответов на вопросы, хотя они хорошенько поработали над тем, чтобы убедить всех в своей компетентности... На самом же деле объяснение того, как и откуда все началось - до сих пор серьезная проблема. Не помогает даже обращение к квантовой механике. Либо не существовало ничего, с чего все могло бы начаться - ни квантового вакуума, ни прегеометрической пыли, ни времени, в котором могло происходить что-либо, ни каких бы то ни было физических законов, в соответствии с которыми ничто могло превратиться в нечто. Либо же существовало нечто, и в этом случае оно требует объяснения”.

Первый Закон, о котором мы уже говорили, гласит: нельзя получить что-либо из ничего.

Согласно Второму Закону термодинамики порядок, наблюдаемый в нашей Солнечной системе, не может быть следствием взрыва. Взрыв не ведет к порядку.

Скрытая холодная темная материя

Огромная проблема теории большого взрыва в том, как предполагаемое изначальное излучение высокой энергии, якобы разлетаясь в разные стороны, могло объединиться в такие структуры, как звезды, галактики и скопления галактик. Эта теория предполагает наличие дополнительных источников массы, обеспечивающих соответствующие значения силы притяжения. Материя, обнаружить которую так и не удалось, была названа Холодной темной материей (ХТМ). Подсчитали, что для образования галактик необходимо, чтобы такая материя составляла 95-99% Вселенной. Эта материя сродни новому наряду короля из сказки Андерсена - все говорят о нем, но никто не видел.

Какие только источники ХТМ ни изобретались. М. Хокинс в своей книге “Huntig down the Universe” (1997) предположил, что 99% всей массы Вселенной составляют мини-черные дыры, каждая размером с раскладывающийся диван. Но если эти таинственные черные дырочки образовались в результате свертывания звезд, как предполагает теория, они вряд ли бы могли быть причиной возникновения звезд - звезды образуются только из звезд.

Еще один претендент на потерянный источник притяжения - извивающиеся полосы волокнистого вещества, простирающиеся в космосе на миллионы километров, а также сверхтяжелые сгустки энергии, имеющие форму кренделя. Имеют ли красные карлики какое-то отношение к искомой гравитации? Нет, отвечают специалисты по космологии, их слишком мало и плотность, которую они имеют, не настолько высока. К августу 1997 года были зарегистрированы только шесть коричневых карликов, вернее, только о шести можно говорить с уверенностью. 30 апреля 1992 года журнал “Nаture” написал: “Вне области космологии, для которой они и были изобретены, ни темная материя, ни расширение вселенной не имеют заслуживающей доверия поддержки”.

Если материя возникла благодаря излучению высокой энергии, порожденному большим взрывом, одновременно с ней должно было образоваться такое же количество антиматерии Но если бы это произошло, материя и антиматерия аннигилировали бы друг друга.

Рождение и смерть звезд

В Библии сказано, что Создатель завершил свою работу в шесть дней. Согласно теории большого взрыва звезды рождаются и умирают попеременно. Считается, что звезды формируются при сгущении пылевых облаков. Поскольку этот процесс занимает миллионы лет, как утверждают некоторые ученые, никто не видел, как родилась хотя бы одна звезда Астрономы могут показать на любую туманность и заявить, что это и есть протозвезда. Но так ли это? Со временем звезда сгорает и начинает сжиматься собственной гравитацией. В результате происходит взрыв сверхновой. Подобное зрелище можно было наблюдать в 1987 году, причем в течение нескольких месяцев. 4 июля 1054 года согласно китайским летописям такое же явление наблюдали в том районе неба, где сейчас находится Крабовидная туманность. Смерть и разрушение постигнет все существующее, об этом говорит. Второй закон термодинамики. Звезды подразделяются на три основных категории: главная последовательность (как наше Солнце), красные гиганты и белые карлики. Считается, что звезда за миллионы лет своей жизни должна пройти все эти три стадии.

Диаграммы, отражающие яркость звезд в зависимости от их температуры, ясно показывают существование трех типов звезд. Сириус - самая яркая из видимых нами звезд и пятая из ближайших к Земле. Вокруг нее вращается тусклая белая звезда-карлик. Но, судя по записям хроник, всего полторы тысячи лет назад эта звезда-спутник была красным гигантом. Смерть и разрушение звезд, очевидно, процесс не такой уж и медленный.

Размер и возраст Вселенной

Расстояния в космосе оцениваются по постоянной Хаббла, соотносящей расстояние и скорость удаления. То есть, чтобы узнать расстояние, мы используем то же самое расстояние! Говоря о неопределенности значения этой константы, редактор журнала “Nature” отметил: “Досадно, что пока сохраняются расхождения, специалисты по космологии не будут знать, как же относиться к вопросам, например, был ли большой взрыв на самом деле”.

Магнитные поля, обнаруженные у Ганимеда, Марса и других планет, не поддаются объяснению, если исчислять их возраст миллионами лет. Несмотря на то, что вопрос о времени накоплении пыли на Луне был кардинально пересмотрен, до сих пор не решена проблема - почему все-таки на Луне так мало пыли. Не решен вопрос и о нестабильности колец Сатурна.

Антропный принцип

Ядро атома любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов. По величине протоны чуть больше нейтронов. Если бы протон весил на 0, 2% больше, он был бы нестабилен и распался бы на нейтрон, позитрон и нейтрино. В ядре атомов водорода - один протон. Если бы протон был нестабилен, не существовали бы ни звезды, ни вода, ни органические молекулы. Стабильность протона не является предметом естественного отбора, значит, он должен быть именно таким с самого начала. Притягивающая сила гравитации обратно пропорциональна квадрату расстояния R между массами. Если бы это соотношение не было таким сверхточным, Вселенная не была бы единым целым.

От Солнца Земля находится на расстоянии, оптимальном для существования на нашей планете жизни. Скорость вращения Земли; ее океаны и атмосфера; Луна; массивный Юпитер, который отклоняет кометы, угрожающие нашей планете (как комета Шумейкера-Леви) своим притяжением - все это служит поддержанию жизни на Земле. Похоже, что и Вселенная, и Солнечная система, и Земля созданы специально для человека. Наука признает этот факт и называет его антропным принципом.

То, что Создателя нельзя обнаружить и измерить с помощью научных инструментов, отнюдь не значит, что Его нет. Но это толкает ученых на поиски альтернативных объяснений. Один астроном предположил, что наша Вселенная была создана невесть откуда взявшимися разумными существами. Другой считает, что Вселенная - одна из миллиардов вселенных, единственная, имеющая все условия для существования жизни...

Сэр Фред Хойл, известный астроном, как-то писал: “Картина Вселенной, образования галактик и звезд, по крайней мере, как она предстает в астрономии, удивительно нечетка, как пейзаж, видимый в тумане. Очевидно, что в изучении космологии упущен один компонент, который предполагает разумный замысел”.

Так был ли большой взрыв? Красное смещение и фоновое излучение не могут служить убедительными доказательствами этому. Законы термодинамики; гравитации и теория информации, тем не менее, дают достаточно однозначный ответ. Никакого взрыва не было.

Но ведь можно учесть, что если концепция о "Большом Взрыве" верна, то он должен был бы оставить в космосе своего рода "след", "эхо". Такой "след" был обнаружен. Пространство Вселенной оказалось пронизано радиоволнами миллиметрового диапазона, разбегающимися равномерно по всем направлениям. Это "реликтовое излучение Вселенной" и есть приходящий из прошлого след сверхплотного, сверхраскаленного ее состояния, когда не было еще ни звезд, ни туманностей, а материя представляла собой дозвездную, догалактическую плазму.

Теоретически концепция "расширяющейся Вселенной" была выдвинута известным ученым А.А.Фридманом в 1922-1924 годах. Десятилетия спустя она получила практическое подтверждение в работах американского астронома Э.Хаббла, изучавшего движение галактик. Хаббл обнаружил, что галактики стремительно разбегаются, следуя некоему импульсу, заданному в момент "Большого Взрыва". Если разбегание это не прекратится, будет продолжаться неограниченно, то расстояние между космическими объектами будет возрастать, стремясь к бесконечности. По расчетам Фридмана, именно так должна была бы проходить дальнейшая эволюция Вселенной. Однако при одном условии - если средняя плотность массы Вселенной окажется меньше некоторой критической величины (эта величина составляет примерно три атома на кубический метр). Какое-то время назад данные, полученные американскими астрономами со спутника, исследовавшего рентгеновское излучение далеких галактик, позволили рассчитать среднюю плотность массы Вселенной. Она оказалась очень близка к той критической массе, при которой расширение Вселенной не может быть бесконечно.

Обратиться к изучению Вселенной посредством исследования рентгеновских излучений пришлось потому, что значительная часть ее вещества не воспринимается оптически. По крайней мере 50% массы нашей Галактики мы "не видим", писал журнал английских ученых "New Scientist". Об этом не воспринимаемом нами веществе свидетельствуют, в частности, гравитационные силы, которые определяют движение нашей и других галактик, движение звездных систем. Вещество это может существовать в виде "черных дыр", масса которых составляет сотни миллионов масс нашего Солнца, в виде нейтрино или других каких-то неизвестных нам форм. Не воспринимаемые, как и "черные дыры", короны галактик могут быть, считают некоторые, в 5-10 раз больше массы самих галактик.

Предположение, что масса Вселенной значительно больше, чем принято считать, нашло новое весьма веское подтверждение в работах физиков. Ими были получены первые данные о том, что один из трех видов нейтрино обладает массой покоя. Если остальные нейтрино имеют те же характеристики, то масса нейтрино во Вселенной в 100 раз больше, чем масса обычного вещества, находящегося в звездах и галактиках.