Модель А.А. Фридмана (1922 г.)

Новый этап в развитии релятивистской космологии был связан с исследованиями русского ученого Александра Александровича Фридмана (1888 – 1925), который математически доказал идею саморазвивающейся Вселенной. Работа А.А. Фридмана в корне изменила основные положения прежнего научного мировоззрения. По его утверждению, космологические начальные условия образования Вселенной были сингулярными. Разъясняя характер эволюции Вселенной, расширяющейся начиная с сингулярного состояния, Фридман особо выделял несколько случаев:

1. Радиус кривизны Вселенной с течением времени постоянно возрастает, начиная с нулевого значения;

2. Радиус кривизны меняется периодически: Вселенная сжимается в точку (ничто, сингулярное состояние), затем снова из точки, доводит свой радиус до некоторого значения, далее опять, уменьшая радиус своей кривизны, обращается в точку и т.д.;

3. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна или меньше некоторой критической величине, то мировое пространство неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния;

4. Если плотность вещества и излучения больше критической, то пространство сжимается до первичного точечного состояния;

5. Изотропность понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям;

6. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной, проводя наблюдения из которых, мы везде увидим изотропную Вселенную.

 

Модель Э.П. Хаббла (1929 г.)

Доказательства в пользу модели расширяющейся Вселенной были получены в 1929 году, в связи с открытием американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения». Красное смещение – это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. В 1929 г. Хаббл открыл замечательную закономерность, которая была названа «законом Хаббла» или «закон красного смещения»: линии Галактик смещены к красному концу, причем смещение тем больше, чем дальше находится Галактика.

Это было истолковано как следствие эффекта Допплера Христиана. Обнаруженный ранее эффект Допплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.

Но почему они движутся, расширяются? На Галактики постоянно действует какая-то сила. В отдаленном прошлом материя в нашей области Вселенной находилась в сверхплотном состоянии. Затем произошел «взрыв», в результате которого и началось расширение. Чтобы выяснить дальнейшую судьбу Метагалактики, необходимо оценить среднюю плотность межзвездного газа. Если она выше 10 протонов на 1 м, то общее гравитационное поле метагалактики достаточно велико, чтобы постепенно остановить расширение. И оно смещается сжатием.

Возникли два мнения по поводу состояния Метагалактики до начала расширения. Согласно одному из них первоначальное вещество Метагалактики состояло из «холодной» смеси протонов, т.е. ядер атомов водорода, электронов и нейтронов. Согласно второй, температура была очень велика, а плотность излучения даже превосходила плотность вещества. Но после открытия в 1965 г. реликтового излучения А. Тицнасом и Р. Вилсоном предпочтение было отдано второй теории. После была представлена попытка представить ход событий на первых стадиях расширения Метагалактики: через 1 с после начала расширения сверхплотной исходной плазмы плотность вещества снизилась до 500 кг/см³, а t=10¹³ C°. В течение следующих 100 с плотность снизилась до 50 г/см², температура упала. Объединились протоны и нейтроны => ядра гелия. При t=4000° это продолжалось несколько сотен тысяч лет. Затем, после того, как образовались атомы водорода, началось постепенное формирование горячих водородных облаков, из которых образовались Галактики и звезды. Однако в процессе расширения могли сохраниться сгустки сверхплотного до звездного вещества, а в процессе их распада образовались звезды и Галактики. Не исключено, что действовали оба механизма. Понятие Метагалактика не является вполне ясным. Оно сформировалось на основании аналогии со звездами. Наблюдения показывают, что Галактики, подобно звездам, группирующиеся в рассеянные и шаровые скопления, также объединяются в группы и скопления различной численности. Вся охваченная современными методами астрономических наблюдений часть Вселенной называется Метагалактикой (или нашей Вселенной). В Метагалактике пространство между Галактиками заполнено чрезвычайно разряженным межгалактическим газом, пронизывается космическими лучами, в нем существуют магнитные и гравитационные поля и, возможно, невидимые массы веществ.

От наиболее удаленных метагалактических объектов свет идет до нас много миллионов лет. Но все-таки нет оснований утверждать, что Метагалактика – это вся Вселенная. Возможно, существуют другие, пока неизвестные нам Метагалактики.

После этого открытия вывод Фридмана о нестационарности Вселенной получил подтверждение и в космологии – модель расширяющейся Вселенной. Постоянная Хаббла (скорость расширения Галактик) позволяет оценить время, в течение которого продолжается процесс расширения Вселенной. Получается, что оно не менее 10 млрд. и не более 19 млрд. лет. Наиболее вероятным временем существования расширяющейся Вселенной считают 15 млрд. лет. Таков возраст нашей Вселенной.

Открытие расширения Метагалактики свидетельствует о том, что в прошлом Метагалактика была не такой как сейчас и иной станет в будущем, т.е. Метагалактика эволюционирует.

По красному смещению определены скорости удаления Галактик. У многих Галактик они очень велики, соизмеримы со скоростью света. Самым большими скоростями (более 250 000 км/с) обладают некоторые квадры, которые считаются самыми удаленными от нас объектами Метагалактики.

Мы живем в расширяющейся Метагалактики; расширение Метагалактики проявляется только на уровне скоплений и сверхскоплений Галактик. Метагалактика имее т одну особенность: не су ществует центра, от которо го разбегаются Галактик и. Удалось вычислить промежуток времени с начала расширения Метагалактики.

П ромежуток расширения равен 20-13 ш щд. лет. Расширение Метагалактики является самым грандиозным из известных в настоящие время явлений природы. Это открытие произвело коренное изменение во взглядах философов и ученых. Ведь некоторые философы ставили знак равенства между Метагалактикой и Вселенной и пытались доказать, что расширение Метагалактики подтверждает религиозное представление о божественности происхождения Вселенной. Но Вселенной известны естественные процессы, по всей вероятности, это взрывы. Есть предположение, что расширение Метагалактики также началось с явления, напоминающего колоссальный взрыв вещества, обладающего огромной температурой и плотностью.

 

Модель Ж. Леметра (1927 г.)

Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом Взрыве, происшедшем примерно 12 - 18 млрд. лет назад.

Жорж Леметр был первым, кто выдвинул концепцию «Большого взрыва» из так называемого «первобытного атома» и последующего превращения его осколков в звезды и Галактики. Вводит понятие «сингулярность» – сверхплотное состояние или точечный объем с бесконечной плотностью, для описания начала расширения Вселенной. Конечно, со стороны современного астрофизического знания данная концепция представляет лишь исторический интерес, но сама идея первоначального взрывоопасного движения космической материи и ее последующего эволюционного развития неотъемлемой частью вошла в современную научную картину мира.

 

Модель Г.А. Гамова (1960 г.)

(«Горячая Вселенная»)

Принципиально новый этап в развитии современной эволюционной космологии связан с именем американского физика Георгия Антоновича Гамова (1904 – 1968), благодаря которому в науку вошло понятие горячей Вселенной. Согласно предложенной им модели «начала» эволюционирующей Вселенной «первоатом» Леметра состоял из сильно сжатых нейтронов, плотность которых достигала чудовищной величины: один кубический сантиметр первичного вещества весил миллиард тонн. В результате взрыва этого «первоатома» по мнению Г.А. Гамова образовался своеобразный космологический котел с температурой порядка трех миллиардов градусов, где и произошел естественный синтез химических элементов. Осколки первичного яйца – отдельные нейтроны затем распались на электроны и протоны, которые, в свою очередь, соединившись с нераспавшимися нейтронами, образовали ядра будущих атомов. Все это произошло в первые 30 минут после «Большого Взрыва».

Итак, Гамов рассматривал ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур.

Эры начальной эволюции:

1. Эра адронов – тяжелых частиц, вступающих в сильное взаимодействие, время эры – 0,0001 с;

2. Эра лептонов – легких частиц, вступающих в электромагнитное взаимодействие, время эры – 10 сек;

3. Эра фотонов – квантов электромагнитного поля. Главную роль играет излучение, которое отделилось от вещества – 1 млн. лет;

4. Эра звезд наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. Начинается процесс образования протозвезд и протогалактик = образование Метагалактики.

Горячая модель представляла собой конкретную астрофизическую гипотезу, указывающую пути опытной проверки своих следствий. Гамов предсказал существование в настоящее время остатков теплового излучения первичной горячей плазмы, а его сотрудники еще в 1948 г. довольно точно рассчитали величину температуры этого остаточного излучения уже современной Вселенной. Однако Гамову и его сотрудникам не удалось дать удовлетворительное объяснение естественному образованию и распространенности тяжелых химических элементов во Вселенной, что явилось причиной скептического отношения к его теории со стороны специалистов. Как оказалось, предложенный механизм ядерного синтеза не мог обеспечить возникновение наблюдаемого ныне количества этих элементов.

 

Модель Я.Б. Зельдовича

(«Холодная Вселенная»)

Ученые стали искать иные физические модели «начала». В 1961 году академик Яков Борисович Зельдович выдвинул альтернативную холодную модель, согласно которой первоначальная плазма состояла из смеси холодных (с температурой ниже абсолютного нуля) вырожденных частиц - протонов, электронов и нейтрино. Три года спустя астрофизики И.Д. Новиков и А.Г. Дорошкевич произвели сравнительный анализ двух противоположных моделей космологических начальных условий (горячей и холодной) и указали путь опытной проверки и выбора одной из них. Было предложено с помощью изучения спектра излучений звезд и космических радиоисточников попытаться обнаружить остатки первичного излучения. Открытие остатков первичного излучения подтверждало бы правильность горячей модели, а если таковые не существуют, то это будет свидетельствовать в пользу холодной модели.

В конце 60-х годов группа американских ученых во главе с Р. Дикке выяснили, что электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное взаимодействия являются различными гранями единого взаимодействия, расщепляющегося по мере понижения уровня энергии соответствующих физических процессов. Иначе говоря, при очень высоких температурах (превышающих определенные критические значения) различные типы физических взаимодействий начинают объединяться, а на пределе все четыре типа взаимодействия сводятся к одному единственному протовзаимодействию, называемому «Великим синтезом».

Согласно квантовой теории, то, что остается после удаления частиц материи (к примеру, из какого-либо закрытого сосуда с помощью вакуумного насоса), вовсе не является пустым в буквальном смысле слова, как это считала классическая физика. Хотя вакуум не содержит обычных частиц, он насыщен «полуживыми», так называемыми виртуальными тельцами. Чтобы их превратить в настоящие частицы материи, достаточно возбудить вакуум, например, воздействовать на него электромагнитным полем, создаваемым внесенными в него заряженными частицами.

Но что же все-таки явилось причиной «Большого Взрыва»? Судя по данным астрономии, физическая величина космологической постоянной, фигурирующей в эйнштейновских уравнениях тяготения, очень мала, возможно, близка к нулю. Но, даже будучи столь ничтожной, она может вызвать очень большие космологические последствия. Развитие квантовой теории поля привело к еще более интересным выводам. Оказалось, что космологическая постоянная является функцией от энергии, в частности зависит от температуры. При сверхвысоких температурах, господствовавших на самых ранних фазах развития космической материи, космологическая постоянная могла быть очень большой, а главное, положительной по знаку. Говоря другими словами, в далеком прошлом вакуум мог находиться в чрезвычайно необычном физическом состоянии, характеризуемом наличием мощных сил отталкивания. Именно эти силы и послужили физической причиной «Большого Взрыва» и последующего быстрого расширения Вселенной.

Рассмотрение причин и последствий космологического «Большого Взрыва» было бы не полным без еще одного физического понятия. Речь идет о так называемом фазовом переходе (превращении), т.е. качественном превращении вещества, сопровождающимся резкой сменой одного его состояния другим. Советские ученые-физики Д.А. Киржниц и А.Д. Линде первыми обратили внимание на то, что в начальной фазе становления Вселенной, когда космическая материя находилась в сверхгорячем, но уже остывающем состоянии, могли происходить аналогичные физические процессы (фазовые переходы).

Дальнейшее изучение космологических следствий фазовых переходов с нарушенной симметрией привело к новым теоретическим открытиям и обобщениям. Среди них обнаружение ранее неизвестной эпохи в саморазвитии Вселенной. Оказалось, что в ходе космологического фазового перехода она могла достичь состояния чрезвычайно быстрого расширения, при котором ее размеры увеличились во много раз, а плотность вещества оставалась практически неизменной. Исходным же состоянием, давшим начало раздувающейся Вселенной, считается гравитационный вакуум. Резкие изменения, сопутствующие процессу космологического расширения пространства, характеризуются фантастическими цифрами. Так, предполагается, что вся наблюдаемая Вселенная возникла из единственного вакуумного пузыря размером меньше 10 в минус 33 степени см! Вакуумный пузырь, из которого образовалась наша Вселенная, обладал массой, равной всего-навсего одной стотысячной доле грамма.

В настоящее время еще нет всесторонне проверенной и признанной всеми теории происхождения крупномасштабной структуры Вселенной, хотя ученые значительно продвинулись в понимании естественных путей ее формирования и эволюции.