Модель расширяющейся Вселенной
Модель расширяющейся Вселенной
Более принятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной жаркой расширяющейся Вселенной, построенная на базе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, сделанной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. В базе этой модели лежат два догадки:
1) характеристики Вселенной схожи во всех ее точках (однородность) и направления (изотропность);
2) лучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так именуемая кривизна места и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, — релятивистская.
Принципиальным пт данной модели является ее нестационарность. Это определяется 2-мя постулатами теории относительности: 1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями, умеренно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; 2) экспериментально подтвержденным всепостоянством скорости света.
Из принятия теории относительности вытекало в качестве следствия (первым это увидел петроградский физик и математик Александр Александрович Фридман в 1922 году), что искривленное место не может быть стационарным: оно должно либо расширяться, либо сжиматься. На этот вывод не было обращено внимания прямо до открытия южноамериканским астрологом Эдвином Хабблом в 1929 году так именуемого «красного смещения».
Красноватое смещение — это снижение частот электрического излучения: в видимой части диапазона полосы смещаются к его красноватому концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера говорил, что при удалении от нас какого-нибудь источника колебаний, воспринимаемая нами частота колебаний миниатюризируется, а длина волны соответственно возрастает. При излучении происходит «покраснение», т. е. полосы диапазона сдвигаются в сторону более длинноватых бардовых волн.
Итак вот, для всех дальних источников света красноватое смещение было зафиксировано, при этом, чем далее находился источник, тем в основном. Красноватое смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало догадку об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики — видимой части Вселенной.
Красноватое смещение накрепко подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких млрд парсек в протяжении само мало нескольких млрд лет. В то же время кривизна места не может быть измерена, оставаясь теоретической догадкой.
Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большенном Взрыве, происшедшем кое-где приблизительно 12 -18 миллиардов. годов назад. «Вначале был взрыв. Не таковой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и потом распространяется, захватывая все в большей и большей степени места, а взрыв, который произошел сразу всюду, заполнив с самого начала все место, при этом любая частичка материи устремилась прочь от хоть какой другой частицы» (Вейнберг С. 1-ые три минутки. Современный взор на происхождение Вселенной. -М., 1981. -С. 30).
Изначальное состояние Вселенной (так именуемая сингулярная точка): нескончаемая плотность массы, нескончаемая кривизна места и взрывное, замедляющееся с течением времени расширение при высочайшей температуре, при которой могла существовать только смесь простых частиц (включая фотоны и нейтрино). Горячесть исходного состояния доказана открытием в 1965 году реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранешней стадии расширения Вселенной.
Появляется увлекательный вопрос: из чего же образовалась Вселенная? Чем было то, из чего она появилась. В Библии утверждается, что Бог сделал все из ничего. Зная, что в традиционной науке сформулированы законы сохранения материи и энергии, религиозные философы спорили о том, что означает библейское «ничего», и некие в угоду науке считали, что под ничем имеется в виду начальный вещественный хаос, упорядоченный Богом.
Как это ни умопомрачительно, современная наука допускает (конкретно допускает, но не утверждает), что все могло создаться из ничего. «Ничего» в научной терминологии именуется вакуумом. Вакуум, который физика XIX века считала пустотой, по современным научным представлениям является специфичной формой материи, способной при определенных критериях «рождать» вещественные частички.
Современная квантовая механика допускает (это не противоречит теории), что вакуум может приходить в «возбужденное состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими тестами) — вещество.
Рождение Вселенной «из ничего» значит с современной научной точки зрения ее самопроизвольное появление из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация. Если число фотонов равно нулю, то напряженность поля не имеет определенного значения (по «принципу неопределенности» Гейзенберга): поле повсевременно испытывает флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряженности равно нулю.
Флуктуация представляет собой возникновение виртуальных частиц, которые безпрерывно появляются и сразу уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частички. Благодаря флуктуациям, вакуум приобретает особенные характеристики, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.
Итак, Вселенная могла образоваться из «ничего», т. е. из «возбужденного вакуума». Такая догадка, естественно, не является решающим доказательством существования Бога. Ведь все это могло произойти в согласовании с законами физики естественным методом без вмешательства снаружи каких-то безупречных сущностей. И в данном случае научные догадки не подтверждают и не опровергают религиозные догмы, которые лежат на той стороне эмпирически подтверждаемого и опровергаемого естествознания.
На этом необычное в современной физике не кончается. Отвечая на просьбу журналиста выложить сущность теории относительности в одной фразе, Эйнштейн произнес: «Раньше считали, что если б из Вселенной пропала вся материя, то место и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что совместно с материей пропали бы также место и время». Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни места, ни времени.
Отметим, что теория относительности соответствует двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из их кривизна пространства-времени отрицательна либо в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния с течением времени неограниченно растут. Во 2-ой разновидности модели кривизна положительна, место естественно, и в данном случае расширение с течением времени заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относительности согласуется с сегодняшним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной.
Досужий разум безизбежно задается вопросами: что все-таки было тогда, когда не было ничего, и что находится за пределами расширения. 1-ый вопрос, разумеется, противоречив сам по для себя, 2-ой выходит за рамки определенной науки. Астролог может сказать, что как ученый он не вправе отвечать на такие вопросы. Но так как все они же появляются, формулируются и вероятные обоснования ответов, которые являются не столько научными, сколько натурфилософскими.
Так, проводится различие меж определениями «бесконечный» и «безграничный». Примером бесконечности, которая не беспредельна, служит поверхность Земли: мы можем идти по ней нескончаемо длительно, но все же она ограничена атмосферой сверху и земной корой снизу. Вселенная также может быть нескончаемой, но ограниченной. С другой стороны, известна точка зрения, в согласовании с которой в вещественном мире не может быть ничего нескончаемого, так как он развивается в виде конечных систем с петлями оборотной связи, которыми эти системы создаются в процессе преобразования среды.
Но оставим эти суждения области натурфилософии, так как в естествознании в конечном счете аспектом правды являются не абстрактные суждения, а эмпирическая проверка гипотез.
Что все-таки было после Огромного Взрыва? Образовался сгусток плазмы — состояния, в каком находятся простые частички — нечто среднее меж жестким и водянистым состоянием, который и начал расширяться все в большей и большей степени под действием взрывной волны. Через 0, 01 сек после начала Огромного Взрыва во Вселенной появилась смесь легких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия). Как образовались все другие хим элементы?