Модель большого взрыва и расширяющейся Вселенной

постоянной, которую Эйнштейн ввел в общую теорию относительности, пытаясь

построить статическую модель Вселенной. Поскольку, как и в горячей модели

большого взрыва, Вселенная уже вращалась, отталкивание, вносимое

космологической постоянной, заставило бы Вселенную расширяться со все

возрастающей скоростью. Даже в тех областях, где число частиц вещества

превышало среднее значение, гравитационное притяжение материи было бы

меньше отталкивания, вносимого эффективной космологической постоянной.

Следовательно, такие области должны были тоже расширяться с ускорением,

характерным для модели раздувающейся Вселенной. По мере расширения частицы

материи расходились бы все дальше друг от друга, и в конце концов

расширяющаяся Вселенная оказалась бы почти без частиц, но все еще в

переохлажденном состоянии. В результате расширения все неоднородности во

Вселенной должны были просто сгладиться, как разглаживаются при надувании

морщины на резиновом шарике. Следовательно, нынешнее гладкое и однородное

состояние Вселенной могло развиться из большого числа разных неоднородных

начальных состояний.

Во Вселенной, скорость расширения которой растет из-за

космологической постоянной быстрее, чем замедляется из-за гравитационного

притяжения материи, свету хватило бы времени для перехода из одной области

ранней Вселенной в другую. Это было бы решением ранее поставленной задачи

о том, почему разные области ранней Вселенной имеют одинаковые свойства.

Кроме того, скорость расширения Вселенной стала бы автоматически очень

близка к критическому значению, определяемому плотностью энергии во

Вселенной. Тогда такую близость скорости расширения к критической можно

было бы объяснить, не делая предположения о тщательном выборе начальной

скорости расширения Вселенной.

Раздуванием Вселенной можно было бы объяснить, почему в ней так

много вещества. В доступной наблюдениям области Вселенной содержится

порядка ста миллионов (единица с восьмьюдесятью нулями) частиц. Откуда все

они взялись? Ответ состоит в том, что в квантовой теории частицы могут

рождаться из энергии в виде пар частица-античастица. Но тогда сразу

возникает вопрос: откуда берется энергия? Ответ таков. Полная энергия

Вселенной в точности равна нулю. Вещество во Вселенной образовано из

положительной энергии. Но все вещество само себя притягивает под действием

гравитации. Два близко расположенных куска вещества обладают меньшей

энергией, чем те же два куска, находящиеся далеко друг от друга, потому

что для разнесения их в стороны нужно затратить энергию на преодоление

гравитационной силы, стремящейся их соединить. Следовательно, энергия

гравитационного ноля в каком-то смысле отрицательна. Можно показать, что в

случае Вселенной, примерно однородной в пространстве, эта отрицательная

гравитационная энергия в точности компенсирует положительную энергию,

связанную с веществом. Поэтому полная энергия Вселенной равна нулю.

Поскольку дважды нуль тоже нуль, количество положительной энергии

вещества во Вселенной может удвоиться одновременно с удвоением

отрицательной гравитационной энергии; закон сохранения энергии при этом не

нарушится. Такого не бывает при нормальном расширении Вселенной, в которой

плотность энергии вещества уменьшается по мере увеличения размеров

Вселенной. Но именно так происходит при раздувании, потому что в этом

случае Вселенная увеличивается, а плотность энергии переохлажденного

состояния остается постоянной: когда размеры Вселенной удвоятся,

положительная энергия вещества и отрицательная гравитационная энергия тоже

удвоятся, в результате чего полная энергия остается равной нулю. В фазе

раздувания размеры Вселенной очень сильно возрастают. Следовательно, общее

количество энергии, за счет которой могут образовываться частицы, тоже

сильно увеличивается. Гут по этому поводу заметил: "Говорят, что не бывает

скатерти-самобранки. А не вечная ли самобранка сама Вселенная?"

Сейчас Вселенная расширяется без раздувания. Значит, должен

существовать какой-то механизм, благодаря которому была устранена очень

большая эффективная космологическая постоянная, а скорость расширения

перестала расти и под действием гравитации начала уменьшаться, как

продолжает уменьшаться и сейчас. Можно ожидать, что при раздувании в конце

концов нарушится симметрия сил, так же как переохлажденная вода в конце

концов замерзнет. Тогда лишняя энергия состояния с ненарушенной симметрией

должна выделиться, и за счет этого Вселенная разогреется до температуры,

чуть-чуть меньшей, чем критическая температура, при которой симметрия сил

еще не нарушается. Затем Вселенная опять начнет расширяться и охлаждаться,

так же как в горячей модели большого взрыва, но теперь мы уже сможем

объяснить, почему скорость ее расширения в точности равна критической и

почему разные области Вселенной имеют одинаковую температуру.

В гипотезе Гута фазовый переход происходил очень быстро, как

возникают вдруг кристаллы льда в очень холодной воде. Идея Гута

заключалась в том, что внутри старой фазы образуются "пузырьки" новой фазы

нарушенной симметрии, подобно тому, как в кипящей воде зарождаются

пузырьки пара. Гут предположил, что пузыри расширяются и сливаются друг с

другом до тех пор, пока вся Вселенная не окажется в новой фазе. В 1983 г.

Линде предложил более удачную модель, называемую хаотической моделью

раздувания. В ней нет ни фазового перехода, ни переохлаждения, а взамен

присутствует бес спиновое поле, которое из-за квантовых флуктуаций

принимает большие значения в некоторых областях ранней Вселенной. В таких

областях энергия поля будет вести себя как космологическая постоянная.

Результатом действия поля будет гравитационное отталкивание, под влиянием

которого вышеуказанные области начнут раздуваться. По мере увеличения этих

областей энергия поля в них будет медленно уменьшаться, пока раздувание не

перейдет в такое же расширение, как в горячей модели большого взрыва. Одна

из областей могла бы превратиться в современную наблюдаемую Вселенную.

Модель Линде обладает всеми преимуществами ранней модели раздувания, но не

требует сомнительного фазового перехода и, кроме того, может дать реальную

оценку флуктуаций температуры фона микроволнового излучения, согласующуюся

с результатами наблюдений.

Проведенные исследования моделей раздувания показали, что

современное состояние Вселенной могло возникнуть из большого числа разных

начальных конфигураций. Это важный вывод, ибо из него следует, что выбор

начального состояния той части Вселенной, в которой мы живем, мог быть не

очень тщательным. Но вовсе не из всякого начального состояния могла

получиться такая Вселенная, как наша. Это можно доказать, предположив, что

Вселенная сейчас находится в совершенно другом состоянии, каком-нибудь

очень нерегулярном и комковатом. Воспользовавшись законами науки, можно

проследить развитие Вселенной назад во времени и определить ее

конфигурацию в более ранние времена. По теоремам о сингулярности

классической общей теории относительности сингулярность в точке большого

взрыва все равно должна была существовать. Если такая Вселенная будет

развиваться вперед во времени в соответствии с законами науки, то в конце

мы придем к тому комковатому и нерегулярному состоянию, с которого

начинали. Следовательно, должны существовать начальные конфигурации, из

которых не может получиться такая Вселенная, какой сейчас мы видим нашу.

Значит, даже модель раздувания ничего не говорит о том, почему начальная

конфигурация оказалась не той, при которой получилась бы Вселенная, сильно

отличающаяся от наблюдаемой нами. Следует ли обратиться для объяснения к

натронному принципу? Было ли все происшедшее просто счастливой

случайностью? Такой ответ выглядел бы как выражение отчаяния, отрицание

всех наших надежд понять, какой же порядок лежит в основе Вселенной.

Для предсказания того, каким должно было быть начало Вселенной,

необходимы законы, справедливые в начале отсчета времени. Если

классическая общая теория относительности верна, то из доказанных Роджером

Пенроузом и мной теорем о сингулярности следует, что в точке начала

отсчета времени плотность и кривизна пространства-времени принимают

бесконечные значения. В такой точке нарушаются все известные законы

природы. Можно было бы предположить, что в сингулярностях действуют новые

законы, но их трудно формулировать в точках со столь непонятным

поведением, и мы не знали бы, как из наблюдений вывести вид этих законов.

Но на самом деле из теорем о сингулярности следует, что гравитационное

поле настолько усиливается, что становятся существенными квантовые

гравитационные эффекты: классическая теория перестает давать хорошее

описание Вселенной. Поэтому при изучении очень ранних стадий развития

Вселенной приходится привлекать квантовую теорию гравитации. Как мы потом

увидим, в квантовой теории обычные законы науки могут выполняться везде, в

том числе и в начале отсчета времени: нет необходимости постулировать

новые законы для сингулярностей, потому что в квантовой теории не должно

быть никаких сингулярностей.

Пока у нас еще нет полной и согласованной теории, объединяющей

квантовую механику и гравитацию. Но мы совершенно уверены в том, что

подобная единая теория должна иметь некоторые определенные свойства. Во-

первых, она должна включать в себя фейнмановский метод квантовой теории,

основанный на суммах по траекториям частицы (и по "историям" Вселенной).

При таком методе в отличие от классической теории частица уже не

рассматривается как обладающая одной-единственной траекторией. Напротив,

предполагается, что она может перемещаться по всем возможным путям в

пространстве-времени и любой ее траектории отвечает пара чисел, одно из

которых дает длину волны, а другое - положение в периоде волны (фазу).

Например, вероятность того, что частица пройдет через некоторую точку,

получается суммированием всех волн, отвечающих каждой возможной

траектории, проходящей через эту точку. Но попытки произвести такое

суммирование наталкиваются на серьезные технические затруднения. Их можно

обойти, лишь воспользовавшись следующим специальным рецептом: складываются

волны, образующие те истории (траектории) частиц, которые происходят не в

ощущаемом нами реальном (действительном) времени, а в так называемом

мнимом времени. Мнимое время звучит, возможно, научно фантастически, но на

самом деле это строго определенное научное понятие. Умножив обычное (или

действительное) число само на себя, мы получим положительное число.

(Например, число 2, умноженное на 2, дает 4, и то же самое получается при

умножении -2 на -2). Но существуют особые числа (они называются мнимыми),

которые при умножении сами на себя дают отрицательный результат. (Одно из

таких чисел, мнимая единица i, при умножении само на себя дает -1, число

2i, умноженное само на себя, дает -4 и т. д.). Во избежание усложнений

технического характера при вычислении фейнмановский сумм по траекториям

следует переходить к мнимому времени. Это означает, что при расчетах время

надо измерять не в действительных единицах, а в мнимых. Тогда в

пространстве-времени обнаруживаются интересные изменения: в нем совершенно

исчезает различие между временем и пространством. Пространство-время, в

котором временная координата событий имеет мнимые значения, называют

евклидовым, в честь древнегреческого ученого Евклида, основателя учения о

геометрии двумерных поверхностей. То, что мы сейчас называем евклидовым

пространством-временем, очень похоже на первоначальную геометрию Евклида и

отличается от нее лишь числом измерений: четыре вместо двух. В евклидовом

пространстве-времени не делается различий между осью времени и

направлениями в пространстве. В реальном же пространстве-времени, где

событиям отвечают действительные значения координаты времени, эти различия

видны сразу: для всех событий ось времени лежит внутри светового конуса, а

пространственные оси - снаружи. В любом случае, пока мы имеем дело с

обычной квантовой механикой, мнимое время и евклидово пространство-время

можно рассматривать просто как математический прием для расчета величин,

связанных с реальным пространством-временем.

Второе условие, которое должна включать в себя любая завершенная

теория, - это предположение Эйнштейна о том, что гравитационное поле

представляется в виде искривленного пространства-времени: частицы

стремятся двигаться по траекториям, заменяющим в искривленном пространстве-

времени прямые, но, поскольку пространство-время не плоское, эти

траектории искривляются, как будто на них действует гравитационное ноле.

Если фейнмановское суммирование по траекториям соединить с представлением

Эйнштейна о гравитации, то тогда аналогом траектории одной частицы станет

все искривленное пространство-время, которое представляет собой историю

всей Вселенной. Для того чтобы избежать технических затруднений, которые

могут встретиться при конкретном вычислении суммы по историям,

искривленные четырехмерные пространства надо считать евклидовыми. Это

означает, что ось времени мнимая и не отличается от пространственных осей.

Для вычисления вероятности того, что действительное пространство-время

обладает некоторым свойством, например выглядит одинаково во всех точках и

во всех направлениях, надо сложить волны, соответствующие всем тем

историям, которые обладают этим свойством.

В классической общей теории относительности может существовать

много разных видов искривленного пространства-времени, и все они отвечают

разным начальным состояниям Вселенной. Зная начальное состояние нашей

Вселенной, мы знали бы целиком всю ее историю. Аналогично в квантовой

теории гравитации возможно много разных квантовых состояний Вселенной, и

точно так же, зная, как вели себя в ранние времена искривленные евклидовы

четырехмерные пространства в сумме по историям, мы могли бы определить

квантовое состояние Вселенной.

В классической теории гравитации, использующей действительное

пространство-время, возможны лишь два типа поведения Вселенной: либо она

существовала в течение бесконечного времени, либо ее началом была

сингулярная точка в какой-то конечный момент времени в прошлом. В

квантовой же теории гравитации возникает и третья возможность. Поскольку

используются евклидовы пространства, в которых временная и

пространственные оси равноправны, пространство-время, будучи конечным,

может тем не менее не иметь сингулярностей, образующих его границу или

край. Тогда пространство-время напоминало бы поверхность Земли с двумя

дополнительными измерениями. Поверхность Земли имеет конечную

протяженность, но у нее нет ни границы, ни края: поплыв по морю в сторону

заката, вы не вывалитесь через край и не попадете в сингулярность.

Если евклидово пространство-время простирается назад по мнимому

времени до бесконечности или начинается в сингулярной точке мнимого

времени, то, как и в классической теории относительности, возникает вопрос

об определении начального состояния Вселенной - Богу, может быть, и

известно, каким было начало Вселенной, но у нас нет никаких оснований

мыслить это начало таким, а не иным. Квантовая же теория гравитации

открыла одну новую возможность: пространство-время не имеет границы, и

поэтому нет необходимости определять поведение на границе. Тогда нет и

сингулярностей, в которых нарушались бы законы науки, а пространство-время

не имеет края, на котором пришлось бы прибегать к помощи Бога или какого-

нибудь нового закона, чтобы наложить на пространство-время граничные

условия. Можно было бы сказать, что граничное условие для Вселенной -

отсутствие границ. Тогда Вселенная была бы совершенно самостоятельна и

никак не зависела бы от того, что происходит снаружи. Она не была бы

сотворена, ее нельзя было бы уничтожить. Она просто существовала бы.

Как и всякое теоретическое положение, оно может быть первоначально

выдвинуто из эстетических или метафизических соображений, но затем должно

пройти реальную проверку - позволяет ли оно делать предсказания,

согласующиеся с наблюдениями. В случае квантовой теории гравитации такая

проверка затруднена по двум причинам. Во-первых, как будет показано в

следующей главе, мы еще не имеем теории, которая успешно объединяла бы

общую теорию относительности с квантовой механикой, хотя нам во многом

известна форма, которую должна иметь такая теория. Во-вторых, всякая

модель, детально описывающая всю Вселенную, несомненно, будет в

математическом отношении слишком сложна, чтобы можно было на ее основе

выполнять точные вычисления. Поэтому в расчетах неизбежны упрощающие

предположения и приближения, и даже при этом задача извлечения

предсказаний остается чудовищно сложной.

[pic]

Если принять условие отсутствия границ, то оказывается, что

вероятность развития Вселенной но большинству возможных историй

пренебрежимо мала, но существует некоторое семейство историй, значительно

более вероятных, чем остальные. Эти истории можно изобразить в виде как бы

поверхности Земли, причем расстояние до Северного полюса соответствует

мнимому времени, а размеры окружностей, все точки которых равно удалены от

Северного полюса, отвечают пространственным размерам Вселенной. Вселенная

начинается как точка на Северном полюсе. При движении на юг такие широтные

окружности увеличиваются, что отвечает расширению Вселенной с течением

мнимого времени (рис. 8.1). Вселенная достигает максимального размера на

экваторе, а затем с течением мнимого времени сжимается в точку на Южном

полюсе. Несмотря на то, что на Северном и Южном полюсе размер Вселенной

равен нулю, эти точки будут сингулярными не более, чем Северный и Южный

полюс на поверхности Земли. Законы науки будут выполняться в них так же,

как они выполняются на Северном и Южном полюсах Земли.

Но в действительном времени история Вселенной выглядит совершенно

иначе. Десять или двадцать тысяч миллионов лет назад размер Вселенной имел

минимальное значение, равное максимальному радиусу истории в мнимом

времени. Затем, с течением действительного времени, Вселенная расширялась

в соответствии с хаотической моделью раздувания, предложенной Линде (но

теперь уже нет необходимости предполагать, что Вселенная была каким-то

образом создана в правильном состоянии). Вселенная достигла очень больших

размеров, а потом должна опять сжаться в нечто, имеющее в действительном

времени вид сингулярности. Поэтому в каком-то смысле все мы обречены, даже

если будем держаться подальше от черных дыр. Сингулярностей не будет лишь

в том случае, если представлять себе развитие Вселенной в мнимом времени.

Если Вселенная на самом деле находится в таком квантовом

состоянии, то ее история в мнимом времени не будет иметь никаких

сингулярностей. Но, как уже отмечалось, главное значение теорем о

сингулярностях таково: они показывают, что гравитационное поле должно

стать очень сильным, так что нельзя будет пренебречь квантовыми

гравитационными эффектами. Именно это ведет к выводу, что в мнимом времени

Вселенная должна быть конечной, но без границ и сингулярностей. По

возвращении же в реальное время, в котором мы живем, обнаруживается, что

сингулярности появляются опять. Астронавт, упавший в черную дыру, все

равно придет к трагическому концу, и только в мнимом времени у него не

было бы встречи с сингулярностями.

Может быть, следовало бы заключить, что так называемое мнимое

время - это на самом деле есть время реальное, а то, что мы называем

реальным временем, - просто плод нашего воображения. В действительном

времени у Вселенной есть начало и конец, отвечающие сингулярностях,

которые образуют границу пространства-времени и в которых нарушаются

законы науки. В мнимом же времени нет ни сингулярностей, ни границ. Так

что, быть может, именно то, что мы называем мнимым временем, на самом деле

более фундаментально, а то, что мы называем временем реальным, - это некое

субъективное представление, возникшее у нас при попытках описать, какой мы

видим Вселенную. Поэтому не имеет смысла спрашивать, что же реально -

действительное время или время мнимое? Важно лишь, какое из них более

подходит для описания. Мы можем теперь, пользуясь методом суммирования,

по историям и предположением об отсутствии границ, посмотреть, какими

свойствами Вселенная может обладать одновременно. Например, можно

вычислить вероятность того, что Вселенная расширяется примерно с

одинаковой скоростью во всех направлениях в то время, когда плотность

Вселенной имеет современное значение. В упрощенных моделях, которыми мы до

сих пор занимались, эта вероятность оказывается весьма значительной; таким

образом, условие отсутствия границ приводит к выводу о чрезвычайно высокой

вероятности того, что современный темп расширения Вселенной почти одинаков

во всех направлениях. Это согласуется с наблюдениями фона микроволнового

излучения, которые показывают, что его интенсивность во всех направлениях

почти одинакова. Если бы Вселенная в одних направлениях расширялась

быстрее, чем в других, то интенсивность излучения в этих направлениях

уменьшалась бы за счет дополнительного красного смещения.

Сейчас изучаются и другие следствия из условия отсутствия границ.

Особенно интересна задача о малых отклонениях плотности от однородной

плотности ранней Вселенной, в результате которых возникли сначала

галактики, потом звезды и наконец мы сами. В силу принципа

неопределенности ранняя Вселенная не может быть совершенно однородной,

потому что должны обязательно присутствовать некоторые неопределенности в

положениях и скоростях частиц - флуктуации. Исходя из условия отсутствия

границ, мы найдем, что в начальном состоянии во Вселенной действительно

должна быть неоднородность, минимально возможная с точки зрения принципа

неопределенности. Затем Вселенная пережила период быстрого расширения, как

в моделях раздувания. В течение этого периода начальные неоднородности

усиливались, пока не достигли размеров, достаточных, чтобы объяснить

происхождение тех структур, которые мы видим вокруг себя. В такой

расширяющейся Вселенной, в которой плотность вещества слабо меняется от

места к месту, расширение более плотных областей под действием гравитации

могло замедлиться и перейти в сжатие. Это должно привести к образованию

галактик, звезд и, наконец, даже таких незначительных существ, как мы.

Таким образом, возникновение всех сложных структур, которые мы видим во

Вселенной, можно объяснить условием отсутствия у нее границ в сочетании с

квантово-механическим принципом неопределенности.

Из представления о том, что пространство и время образуют

замкнутую поверхность, вытекают также очень важные следствия относительно

роли Бога в жизни Вселенной. В связи с успехами, достигнутыми научными

теориями в описании событий, большинство ученых пришло к убеждению, что

Бог позволяет Вселенной развиваться в соответствии с определенной системой

законов и не вмешивается в ее развитие, не нарушает эти законы. Но законы

ничего не говорят нам о том, как выглядела Вселенная, когда она только

возникла, - завести часы и выбрать начало все-таки могло быть делом Бога.

Пока мы считаем, что у Вселенной было начало, мы можем думать, что у нее

был Создатель. Если же Вселенная действительно полностью замкнута и не

имеет ни границ, ни краев, то тогда у нее не должно быть ни начала, ни

конца: она просто есть, и все! Остается ли тогда место для Создателя?

Заключение

Каждой исторической эпохе присущ свой горизонт науки, своя

ограниченность представлений о природе вещей, явлений, окружающих человека.

На протяжении тысячелетий человек не мог охватить взглядом свою планету. И

первоначально он создавал примитивные космологические представления типа:

«Земля держится на трех слонах» (или на черепахе, в зависимости от того,

что он видел перед собой)...

Благодаря усилиям Н. Коперника, И. Кеплера и И. Ньютона более 300 лет

назад горизонт астрономии был расширен за орбиту планеты Сатурн. В. Гаршель

отодвинул его до края Галактики, а совсем недавно Хаббл — в далекое

межгалактическое пространство. Ныне нельзя не испытывать чувство гордости

от того, что человеческий разум оказался способным раскрывать тайны далеких

звезд и галактик, устанавливать законы их строения и развития.

Но с каждым годом перед человеком встают все более сложные вопросы,

затрагивающие фундаментальные свойства материи и конкретные формы ее

существования. Симметрична ли Вселенная относительно вещества и

антивещества? Состоят ли элементарные частицы из более простых? Неизменны

ли на самом деле так называемые постоянные величины — постоянная тяготения

С, постоянная Планка h, скорость света с и другие? И почему они имеют

именно такие, а не другие численные значения? И если некоторые из них

медленно изменяются, то как это влияет на развитие Вселенной и ее

отдельных составные частей.

Да, сегодня нам известно уже многое о строении Вселенной и ее

отдельных' объектов. Но... с каждым годом расширяется горизонт науки,

расширяются пределы в пространстве и времени, до которых проникает

человеческий разум. И, как говорил римский философ Сенека, несомненно, что

на долю наших потомков" останется большая часть истин, еще не открытых...

1. Изучено: Считается, что в момент большого взрыва размеры

Вселенной были равны нулю, а сама она была бесконечно горячей. Но по мере

расширения температура излучения понижалась. Через секунду после большого

взрыва температура упала примерно до десяти тысяч миллионов градусов. В

это время Вселенная состояла из фотонов, электронов, нейтрино и их

античастиц. По мере того как Вселенная продолжала расширяться, а

температура падать, скорость рождения электрон антиэлектронных пар в

соударениях стала меньше скорости их уничтожения за счет аннигиляции.

Поэтому почти все электроны и антиэлектроны должны были аннигилировать друг

с другом, образовав новые фотоны, так что осталось лишь чуть-чуть

избыточных электронов. Примерно через сто секунд после большого взрыва

температура упала до тысячи миллионов градусов, что отвечает температуре

внутри самых горячих звезд. При такой температуре энергии протонов и

нейтронов уже недостаточно для сопротивления сильному ядерному притяжению,

и они начинают объединяться друг с другом, образуя ядра дейтерия, которые

состоят из протона и нейтрона. Затем ядра дейтерия присоединяют к себе еще

протоны и нейтроны и превращаются в ядра гелия, содержащие два протона и

два нейтрона, а также образуют небольшие количества более тяжелых элементов

- лития и бериллия. Вычисления показывают, что, согласно горячей модели

большого взрыва, около четвертой части протонов и нейтронов должно было

превратиться в атомы гелия и небольшое количество тяжелого водорода и

других элементов. Оставшиеся нейтроны распались на протоны, представляющие

собой ядра обычных атомов водорода. Всего через несколько часов

после большого взрыва образование гелия и других элементов прекратилось,

после чего в течение примерно миллиона лет Вселенная просто продолжала

расширяться и с ней не происходило ничего особенного. Наконец, когда

температура упала до нескольких тысяч градусов и энергии электронов и ядер

стало недостаточно для преодоления действующего между ними

электромагнитного притяжения, они начали объединяться друг с другом,

образуя атомы. Вся Вселенная как целое могла продолжать расширяться и

охлаждаться, но в тех областях, плотность которых была немного выше

средней, расширение замедлялось из-за дополнительного гравитационного

притяжения. В результате некоторые области перестали расширяться и начали

сжиматься. В процессе сжатия под действием гравитационного притяжения

материи, находящейся снаружи этих областей, могло начаться их медленное

вращение. С уменьшением размеров коллапсирующей области ее вращение

ускорялось, подобно тому, как ускоряется вращение фигуриста на льду, когда

он прижимает руки к телу. Когда наконец коллапсирующая область стала

достаточно малой, скорости ее вращения должно было хватить для

уравновешивания гравитационного притяжения - так образовались вращающиеся

дискообразные галактики. Те области, которые не начали вращаться,

превратились в овальные объекты, называемые эллиптическими галактиками.

Коллапс этих областей тоже прекратился, потому что, хотя отдельные части

галактики стабильно вращались вокруг ее центра, галактика в целом не

вращалась.

Состоящий из водорода и гелия газ внутри галактик со временем

распался на газовые облака меньшего размера, сжимающиеся и од действием

собственной гравитации. При сжатии этих облаков атомы внутри них

сталкивались друг с другом, температура газа повышалась, и в конце концов

газ разогрелся так сильно, чти начались реакции ядерного синтеза. В

результате этих реакций из водорода образовалось дополнительное количество

гелия, а из-за выделившегося тепла возросло давление и газовые облака

перестали сжиматься. Облака долго оставались в этом состоянии, подобно

таким звездам, как наше Солнце, превращая водород в гелий и излучая

выделяющуюся энергию в виде тепла и света. Более массивным звездам для

уравновешивания своего более сильного гравитационного притяжения нужно было

разогреться сильнее, и реакции ядерного синтеза протекали в них настолько

быстрее, что они выжгли свой водород всего за сто миллионов лет. Затем они

слегка сжались, и, поскольку нагрев продолжался, началось превращение гелия

в более тяжелые элементы, такие как углерод и кислород. Но в подобных

процессах выделяется не много энергии, и потому, как уже говорилось в главе

о черных дырах, должен был разразиться кризис. Не совсем ясно, что

произошло потом, но вполне правдоподобно, что центральные области звезды

коллапсировали в очень плотное состояние вроде нейтронной звезды или черной

дыры. Внешние области звезды могут время от времени отрываться и уноситься

чудовищным взрывом, который называется взрывом сверхновой, затмевающей

своим блеском все остальные звезды в своей галактике. Часть более тяжелых

элементов, образовавшихся перед гибелью звезды, была отброшена в

заполняющий галактику газ и превратилась в сырье для последующих поколений

звезд. Наше Солнце содержит около двух процентов упомянутых более тяжелых

элементов, потому что оно является звездой второго или третьего поколения,

образовавшейся около пяти миллионов лет назад из облака вращающегося газа,

в котором находились осколки более ранних сверхновых. Газ из этого облака в

основном пошел на образование Солнца или был унесен взрывом, но небольшое

количество более тяжелых элементов, собравшись вместе, превратилось в

небесные тела - планеты, которые сейчас, как и Земля, вращаются вокруг

Солнца

2. Рассмотрено: В модели Фридмана все галактики удаляются друг от

друга. Это вроде бы как надутый шарик, на который нанесены точки, если его

все больше надувать. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается,

но ни одну из них нельзя назвать 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. Таким образом, модель

Фридмана предсказывает, что красное смешение галактики должно быть прямо

пропорционально ее удаленности от нас, в точном соответствии с открытием

Хаббла. Несмотря на успех этой модели и на согласие ее предсказаний с

наблюдениями Хаббла, работа Фридмана оставалась неизвестной на Западе, и

лишь в 1935 г. американский физик Говард Робертсон и английский математик

Артур Уолкер предложили сходные модели в связи с открытием Хаббла.

[pic]

Сам Фридман рассматривал только одну модель, но можно указать три

разные модели, для которых выполняются оба фундаментальных предположения

Фридмана. В модели первого типа (открытой самим Фридманом) Вселенная

расширяется достаточно медленно для того, чтобы в силу гравитационного

притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и

в конце концов прекращалось. После этого галактики начинают приближаться

друг к другу, и Вселенная начинает сжиматься. На рис. 3.2 показано, как

меняется со временем расстояние между двумя соседними галактиками. Оно

возрастает от нуля до некоего максимума, а потом опять падает до нуля. В

модели второго типа расширение Вселенной происходит так быстро, что

гравитационное притяжение хоть и замедляет расширение, не может его

остановить. На рис. 3.3 показано, как изменяется в этой модели расстояние

между галактиками. Кривая выходит из нуля, а в конце концов галактики

удаляются друг от друга с постоянной скоростыо. Есть, наконец, и модель

третьего типа, в которой скорость расширения Вселенной только-только

достаточна для того, чтобы избежать сжатия до нуля (коллапса). В этом

случае расстояние между галактиками тоже сначала равно нулю (рис. 3.4), а

потом все время возрастает. Правда, галактики "разбегаются" все с меньшей и

меньшей скоростью, но она никогда не падает до нуля.

3.Исследовано:

Если бы через секунду после большого взрыва скорость

расширения оказалась хоть на одну сто тысяча миллион миллионную

(1/100.000.000.000.000.000) меньше, то произошло бы повторное сжатие

Вселенной и она никогда бы не достигла своего современного состояния.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Модель большого Взрыва

1. Гипотетическое представления о Вселенной

2. Расширяющаяся Вселенная

3. Рождение и гибель Вселенной

1. Заключение

2. список использованной литературы

Список используемой литературы

1. П. Г. Куликовский :«Справочник любителя АСТРОНОМИИ» М.1971 г.

2. Б. А. Воронцов- Вельяминов :«Очерки о Вселенной» М. «Наука» 1976 г.

3. И. А. Климишин «Астрономия наших дней» М. «Наука» 1980 г.

4. П. Девис «Случайная Вселенная» М. «МИР» 1985 г.

5. В. Н. Комаров Б. Н. Пановский « Занимательная астрономия» М. «Наука»

1984 г.

6. И. А. Климишин «Открытие Вселенной» М. « Наука» 1987 г.

7. И. С. Школовский «Вселенная Жизнь Разум» М. « Наука» 1976г.

8. В.В. Казютинский «Вселенная Астрономия, Философия», М.«Знание»1972 г.

9. И.Д. Новиков «Эволюция Вселенной», М. 1983 г.

10. С.П. Левитан. «Астрономия», М., «Просвещение» 1994 г.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5