Концепция организации вселенной

11  концепция организации вселенной.

11.1  Праматерия, адроны, лептоны, фотоны.

Впервые бельгийский астроном Леметр (1931) предложил гипотезу о «космическом яйце», из которого далее развивалась Вселенная. Еще раньше (1922) советский физик А.А. Фридман, используя теорию Эйнштейна, получил вывод о нестационарности Вселенной. «Яйцо» Леметра было неустойчиво и взорвалось. При разработке этой концепции ему уже было известно о существовании «красного смещения» в спектрах разбегающихся галактик. При расширении Вселенной атомы усложняются, доля водорода убывает, а доля атомов в середине таблицы Менделеева растет. Вначале была эра илема (стадия развития по Георгию Гамову) – первичного вещества. Оно было необычайно плотным. Это состояние материи назвали файрболом (огненным шаром). Дикс в 1963 г. пришел к выводу о существовании излучения илема. Последнее сохранилось и до наших дней с эквивалентной температурой 5-6 К. Его назвали реликтовым излучением. Илем содержит частицы с энергиями ~ 10¹² эВ – адроны (мезоны и барионы) и фотоны, а также π, μ  и К – заряженные и нейтральные частицы.

Адронная эра длилась менее 0,1 миллисекунды и для неё характерно вещество с плотностью 10¹⁴г/см³ и температурой 10⁹К.

В лептонную эру (от 0,1мс до 10сек) доминируют π, μ – мезоны, электроны, позитроны и все виды нейтрино. К концу этой эры плотность материи снизилась до 10⁴г/см³, температура постепенно убывает и завершается аннигиляция пар электрон-позитрон с образованием пары фотонов. Это конец «файрбола» (огненного шара). Итак, за первые 10 сек предельно сжатые нейтроны илема превращаются в свет.

Эра излучения – от 10 сек до миллиона лет с момента Большого Взрыва. В конце этой эры плотность стала равна 10¸20г/см³, а температура ~ 3000 К. Во Вселенной возникли фотоны и электроны. Далее протоны и электроны превращаются в водород, а из него, взаимодействуя с нейтронами, образуется гелий. Вещество отделяется от излучения.

Далее начинается звездная, наша эра, с T < 3000 K и плотностью

ρ < 10^–21г/см³ и зарождением жизни, от начала Большого Взрыва проходят миллиарды лет. Возникает гравитационная неустойчивость, образуются сгустки материи, переходящие в скопления галактик. В каждой из них образуются свои сгустки, то есть отдельные Галактики, затем звезды.

Сейчас, по наблюдениям во Вселенной имеется 90% водорода, 9% гелия и 1% прочих сложных атомов (Вселенная еще молодая). Солнце в настоящее время содержит 81,76% водорода; 18,17% гелия и 0,07 % – прочих атомов. Земля же содержит в основном железо, которое образовалось в недрах Солнца в результате его взрыва как сверхновой.

Сверхновые звезды – конечная стадия эволюции массивных звезд, которые израсходовали водород, температура их снижается, они за счет гравитации сжимаются – коллапсируют - с ростом температуры до миллиардов градусов. При этом ситезируются различные тяжелые элементы. При взрыве звезды они поступают в окружающее её пространство. Солнце при таком взрыве стало нашей звездой второго поколения. Из тяжелых элементов возникли планеты. Когда Солнце остынет – энергия гравитационного поля превысит энергию электромагнитного поля излучаемых фотонов.

Небольшие звезды, подобные Солнцу, сжатием достигают стадии белого карлика, когда гравитационные силы компенсируются отталкиванием электронов. Размер карлика по оценкам примерно равен размеру Земли. Звезды с массой больше массы Солнца превращаются в нейтронные. При очень больших массах коллапс доводит звезду до образования «черной дыры». Тогда вещество переходит в энергию гравитации. В зоне гравитационного радиуса – черная дыра. Из нее ни свет, ничто другое вырваться не может.

Рекомендуемые материалы

Так примерно возникла солнечная система, размеры которой ограничены орбитой Плутона в 12млрд. км или 11световых часов. Путь от Земли до Луны свет проходит за 1,25 сек (389.000 км). Прав был Пифагор (6 в. до н.э.), считая, что Земля вращается вокруг Солнца, как и позже к этому же пришел Аристарх. Но Птолемей на 14 веков заставил всех в угоду религиозным воззрениям считать, что Солнце вращается вокруг Земли.

Далее Коперник, Дж. Бруно, и Галилей вновь убедили людей в гелиоцентричности солнечной системы. Тихо Браге и Кеплер измеряли параметры орбит планет. Боде установил следующую закономерность: если записать числа 0, 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256 и потом каждый член ряда умножить на 3, а после этого к каждому члену добавить по 4, то получим ряд чисел: 4, 7, 10, 16, 28, 52, 100, 196, 392, 772. Если принять, что расстояние от Земли до Солнца равно 10, то эти числа ряда Боде представляют расстояния от планет до Солнца. Фактически же расстояния от Солнца до планет в этом масштабе равны 3,9; 7,2; 10; 15,2; 27,7; 52; 95,3; 191,9; 300,7; 395 для Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Астероида Цереры, Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, Плутона. Лишь для Нептуна и Плутона плохое совпадение с этими цифрами Боде.

Почему имеет место именно такая закономерность – непонятно, но в этом, наверное, что-то есть: как будто закодирован какой-то алгоритм сотворения нашей солнечной системы.

В нашей Галактике около 6000 видимых глазом звезд, а в телескоп – их тем больше, чем он лучше. Ольберс считал, что Вселенная бесконечна, как и число звезд в ней и что распределены они равномерно с одинаковой светимостью. Но это предположение приводит к парадоксу, который устраняется допущением о неравномерном распределении их в пространстве: Гершель (1764) установил, что на небесной сфере звезды располагаются так, что образуют чечевицу с центром-Солнцем.

В 1920 г. структура нашей Галактики была уточнена. Ее диаметр оценили в 55 тыс. св. лет – это большой ее диаметр. Еще Гершель выяснил, что Солнце движется к созвездию Геркулес со скоростью 20 км/с. Сейчас же считают, что Солнце находится не в центре Галактики, а довольно далеко от него.

По последним данным размер нашей Галактики (Млечного пути) – 100 тыс. св. лет, а Солнце находится на расстоянии 27 тыс. св. лет от ее центра. В ней примерно 100 млрд. звезд. Солнечная система вращается вокруг центра нашей Галактики со скоростью 220 км/с, имея период обращения 230 млн. лет.

За время существования Земли (4,7 млрд. лет) прошло ≈ 20 ледниковых периодов. То же самое имеет место и для блуждания магнитных полюсов Земли. Это согласуется с данными геодезических исследований.

Множество галактик образует Метагалактику по Шарлю Месье (1917). Например, туманность Андромеды – самая близкая к нам Галактика (расстояния до нее 2,3 млн. св. лет). Параметры вращения нашей Галактики вокруг центра Метагалактики пока не известны.

Рассмотрим разбегание Галактик. По Допплеру при движении источника света относительно наблюдателя происходит изменение частоты, воспринимаемой наблюдателем в сравнении с излучаемой. То есть спектры смещаются относительно их положений в спектрографах, когда излучатель неподвижен. Так можно измерять скорость удаления звезды от нас. Астрофизики научились, независимо от этого метода, измерять расстояние до звезд. Так и было установлено, что Вселенная разбегается. В 1963 г. обнаружили, что четыре линии (известной группы) сильно смещены, что отвечает удалению этих галактик от нас со скоростью 240.000 км/с. Эти звезды называют квазарами. Хаббл (1929) выяснил, что скорость разбегания небесных объектов от нас подчиняется закону:

.

То есть до квазаров типичные расстояния – миллиарды световых лет. Свет от квазаров не может достичь Земли, если они удаляются от нас со скоростью света. Это дает возможность оценить радиус Вселенной, равный 12,5 млрд. св. лет и дальнейший разлет Галактик приводит к росту их скорости и исчезновению с небосклона. Так вначале исчезнут квазары, затем и уходящие от нас Галактики. Но это случится лишь через 100 и более млрд. св. лет.

11.2 Модели Вселенной.

В истории науки рассматривался ряд естественнонаучных картин Вселенной. Каждая из них отражала достигнутый уровень познания: Вселенная как весь земной мир (ойкумена); геоцентрический мир (вселенная Аристотеля — Птолемея); мир звезд (вселенная Гершеля); мир галактик — Метагалактика (вселенная Фридмана). Мы более подробно остановимся на теоретической модели расширяющейся Вселенной по Фридману.

Расширение Вселенной могло быть предсказано и в рамках ньютоновской теории тяготения в XIX , XVIII  и даже в конце XVII века. Однако вера в статичную Вселенную была столь велика, что жила в умах еще в начале нашего века. Даже Эйнштейн, разрабатывая общую теорию относительности, был уверен в стабильности Вселенной. Чтобы не вступать в противоречие со стабильностью, Эйнштейн модифицировал свою теорию, введя в уравнения так называемую космологическую постоянную. Он ввел новую «антигравитационную» силу, которая в отличие от других не порождалась каким-либо источником, а была заложена в саму структуру пространственно-временного континуума.

При этом Эйнштейн утверждал, что континуум пространство-время сам по себе всегда расширяется и этим расширением точно уравновешивается притяжение остальной материи в Метагалактике, так что в результате Вселенная оказывается стабильной.

Пытаясь спасти стационарность, Эйнштейн полагал пространство не искривлённым, основываясь на астрономических данных по наблюдению звезды Сириус. Её положение на небесной сфере смещалось во время солнечного затмения из-за притяжения луча света Солнцем. Следовательно, по Эйнштейну, Вселенная стационарна, однородна, но конечна и замкнута сама на себя (свет в ней движется по окружности).

Но де Ситтер (1917) предположил, что Вселенная – трехмерная расширяющаяся сфера. Ее кривизна убывает, радиус же растет со временем, метрика стремится к евклидовой. По его (де Ситтера) модели радиус кривизны пространства  (t – время). При t = 0 (начало) R = 0, а при t → ∞, R → ∞. Но и коэффициент k в законе Хаббла V = k·r (r – расстояние) также изменяется . Сейчас он равен 24 (рис.10).

В модели Фридмана (пульсирующая Вселенная) используется представление об однородности и изотропности пространства. В ней Вселенная вначале расширяется быстрее, чем по де Ситтеру, а затем радиус ее кривизны R начинает убывать вновь до нуля. То есть R(t) имеет вид, представленный на рис. 10.

Фридман сделал два очень простых исходных предположения: во-первых, Вселенная выглядит одинаково, в каком бы направлении мы ее ни наблюдали, и, во-вторых, это утверждение должно оставаться справедливым и в том случае, если бы мы производили наблюдения из какого-нибудь другого места.

Не прибегая ни к каким другим предположениям, Фридман показал, что Вселенная не должна быть статичной. Таким образом, за несколько лет до открытия Хаббла нестационарность Вселенной была предсказана А.А. Фридманом.

Предположение об одинаковости Вселенной во всех направлениях на самом деле, конечно, не выполняется. Как мы, например, уже знаем, все звезды в нашей Галактике образуют четко выделяющуюся светлую полосу, которая идет по всему небу ночью - Млечный Путь. Но если говорить о далеких галактиках, то их число во всех направлениях примерно одинаково. Следовательно, Вселенная действительно «примерно» одинакова во всех направлениях - при наблюдении в масштабе, большем по сравнению с расстоянием между галактиками, когда отбрасываются мелкомасштабные различия. Долгое время это было единственным обоснованием гипотезы Фридмана как «грубого» приближения к реальной Вселенной. Но потом по некой случайности выяснилось, что гипотеза Фридмана и в самом деле дает удивительно точное описание нашей Вселенной.

Правда, на первый взгляд, тот факт, что Вселенная кажется одинаковой во всех направлениях, может говорить о какой-то исключительности нашего местоположения во Вселенной. В частности, раз мы видим, что все остальные галактики  удаляются от нас, значит, мы находимся в центре Вселенной.

Но есть и другое объяснение: Вселенная будет выглядеть одинаково во всех направлениях и в том случае, если смотреть на нее из какой-нибудь другой галактики. Это есть вторая гипотеза Фридмана. Нет научных доводов ни за, ни против этого предположения, но это было принято: было бы крайне странно, если бы Вселенная казалась одинаковой во всех направлениях только вокруг нас, а в других её точках этого не было!

По модели Фридмана все галактики удаляются друг от друга. Это вроде бы как надутый шарик, на которой нанесены точки, если его все больше надувать. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается, но ни одну из них нельзя называть 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.

По модели Фридмана предсказывается, что красное смещение галактики должно быть прямо пропорционально ее удаленности от нас, в точном соответствии с открытием Хаббла.

Несмотря на успех этой модели и на согласие её предсказаний с наблюдениями Хаббла, работа Фридмана оставалась неизвестной на западе, и в лишь 1935 году американский математик А. Уолкер предложил сходные модели в связи с открытием Хаббла.

Сам Фридман рассматривал только одну модель, но имеется три её модификации, для которых выполняются оба его фундаментальных предположения.

Вселенная не бесконечна в пространстве, хотя пространство не имеет границ. Гравитация настолько сильна, что пространство, искривляясь, замыкается с самим собой, уподобляясь земной поверхности. В первой модели Фридмана пространство такое же, но только вместо двух измерений поверхности Земли имеет три измерения. Четвертое измерение - время - тоже имеет количественную протяженность, но оно подобно отрезку прямой, имеющего начало и конец.

По второй модификации расширение Вселенной происходит так быстро, что гравитационное притяжение, хотя и замедляет расширение, не может его остановить. На рисунке 11 (кривая 2) показано, как изменяется в этой модели расстояние между галактиками. Кривая восходит из 0, а в конце концов галактики удаляются друг от друга с постоянной скоростью.

Есть и третья модификация, по которой (рис.11 – кривая 3) скорость расширения Вселенной только достаточна для того, чтобы избежать сжатия до 0 (коллапса). В этом случае расстояние между Галактиками сначала равно нулю, а потом все время возрастает. Правда, Галактики «разбегаются» все с меньшей и меньшей скоростью, но она никогда не падает до нуля.

Но какая же из моделей Фридмана годится для нашей Вселенной? Перестанет ли Вселенная, наконец, расширяться или же будет расширяться вечно?

Чтобы отдать предпочтение одной из модификаций, нужно знать скорость расширения Вселенной и её среднюю плотность. Зависимость исполнения сценария  расширения Вселенной от плотности материи представлена на рисунке 12, где

1 — плотность материи во Вселенной больше критического значения;

2 — плотность материи во Вселенной меньше критического значения;

3 — плотность материи во Вселенной равна критической.

Космология Фридмана позволяет проследить, как с течением времени менялась плотность Мира. Оказывается, что возраст Вселенной, то есть время «t», прошедшее от начала расширения до некоторого момента времени в истории Вселенной, связана с плотностью «r» формулой,

где G = 6,67* 10^-8(см³/г с²) » 7*10^-11(H*м²/кг²) – гравитационная постоянная.

При увеличении возраста Вселенной до одной секунды плотность её составляет приблизительно 5*10⁵  г/см³; плотность сравнимая с плотностью атомных ядер » 10¹⁵ г/см³, была при возрасте 20 микросекунд, а плотность 1г/см³ была достигнута уже через десять минут после начала расширения.

Соотношение между временем расширения Вселенной и плотностью её материи получены в модели Фридмана в результате решений сложных уравнений общей теории относительности.

По общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна, в основе которой лежит предположение о том, что законы науки должны быть одинаковы для всех наблюдателей независимо от того, как движутся эти наблюдатели. В ОТО существование гравитационного взаимодействия объясняется искривлением четырехмерного пространства-времени.

Вселенная расширяясь, испытывает разнообразные эволюционные изменения. С теоретической точки зрения невозможность покоя и статичности во Вселенной следует из закона всемирного тяготения - так как все тела притягиваются друг к другу и сила их взаимного притяжения ничем не компенсируется, эти тела должны находиться в движении. При общей однородности распределения вещества такое движение означает либо общее сжатие, либо общее расширение мира.

Этот вывод и был получен А. А. Фридманом на основе общей теории относительности, служащей обобщением ньютоновского закона всемирного тяготения.

Эйнштейн полностью принял теорию Фридмана и стал на его точку зрения, хотя и не без колебаний. Первым откликом Эйнштейна на работу Фридмана, опубликованную в 1922 году в ведущем международном журнале физиков, была краткая критическая заметка в том же журнале, в котором основной вывод Фридмана характеризовался как ошибочный, однако, последовала вторая заметка; в ней Эйнштейн писал: «... моя критика как я убедился из письма Фридмана, сообщенного мне господином Крутковым, основывалась на ошибке в вычислениях. Я считаю результаты Фридмана правильными и проливающими новый свет».

11.3 Этапы и временная организация Вселенной.

Что касается «предъяйцовой» стадии эволюции Вселенной, то она обсуждается лишь на уровне гипотез. Считают, что вначале была «пустота», заполненная водородом. За счет гравитации водород, сжимаясь, образовал «яйцо». Сейчас оно находится в середине своей эволюции. Вопрос заключается в том, когда разлет Галактик сменится сжатием Вселенной?

С учетом  постоянной Хаббла мы получили оценку момента от начала Большого Взрыва –. Это близко к более точной дате астрофизиков – 12,5 млрд. лет. Если гравитация погасит разлет, то начнется сжатие Вселенной и т. д. Сендейдж, изучая распределение квазаров, пришел к идее о пульсирующей Вселенной с циклом 82 млрд. лет.

У индийцев есть упоминание о большом космическом цикле («дыхание Брахмы»). «Выдох» – расширение – 144 млрд. лет. Оценка показывает, что для обращения оставшихся 90% водорода в гелий во Вселенной потребуется еще 125 млрд. лет. Поэтому предпочтение нужно отдать космологии древних индийцев (они считают, что период пульсаций Вселенной 288 млрд. лет). В чем смысл «дыхания» Вселенной?

Временную организацию космоса можно представить в виде таблицы 1

Эволюцию нашей Вселенной можно представить в виде таблицы 2

Советский астроном К.П. Станюкович (1964) выдвинул иную идею – «спящих» частиц – планксонов. Их геометрические размеры равны их гравитационным радиусам. Поэтому планксоны – идеальные микровселенные Эйнштейна, замкнутые на себя. Они имеют конечную массу и объем. Когда планксон «просыпается» и «открывается» на нашу Вселенную, то он один может дать ей около 10²⁰ обычных элементарных частиц. Поэтому считают, что ненаблюдаемая масса Метагалактики в 10²⁰ раз больше наблюдаемой, Станюкович также считает, что наша Вселенная – гигантский планксон среди разных вселенных, замкнутых, расширяющихся, сжимающихся.

Циклические «дыхания» нашей Вселенной необходимы для изменения количества элементарных частиц в ней, для уменьшения их массы и увеличения энергии во Вселенной. Когда-нибудь наша Вселенная вступит во взаимодействие с другой Вселенной, дав жизнь новым частицам, которые начнут новый этап эволюции. Аль Бируни  (2 век), будучи в Индии, узнал о цифре продолжительности «Дня Шивы» равной 160·10⁵² млрд. лет. В этот промежуток 5·10⁵¹ млрд. раз укладывается самый крупный космический цикл расширения и сжатия Вселенной (320 млрд. лет). Но есть еще «ночь Шивы» – это загадочные цифры древнеиндийской космологии, взяты из Махабхараты (древнеиндийская мифология).