 Невозможно представить, насколько ниже в
своем развитии оказалось бы человечество,
если бы оно никогда не видело звездного неба.
Анри Пуанкаре.
Нестационарная Вселенная Фридмана.
Идея о том, что рождение Вселенной началось с взрыва, была высказана российским ученым Александром Фридманом. В 1922 году журнал «Zeitschrift fur Physik» опубликовал статью «О кривизне пространства», автором которой оказался петербургский математик Фридман- имя это мало что говорило физикам-теоретикам Запада.
Хотя Александр Александрович Фридман к началу 20-х годов вовсе не был безвестным начинающим ученым. Просто он ранее никогда не занимался теоретической физикой, поскольку являлся крупным специалистом по теоретической метеорологии, динамике атмосферы и весьма известным математиком.
Он отличался невероятной дотошностью, умением глубоко проникать в суть изучаемого предмета, влезать в его тонкости. Не случайно, когда Фридман заинтересовался теорией относительности, его друзья заявили: «Теперь мы будем, наконец, знать теорию относительности».
Несмотря на неизвестность автора в кругу физиков-теоретиков, статья сразу же обратила на себя внимание. И не удивительно. В скромном по объему сообщении утверждалось, что кривизна нашего пространства должна изменяться, и стационарная Вселенная, которую отстаивал Эйнштейн, невозможна
Давайте вспомним. Вселенная Ньютона была бесконечной и населенной бесконечным количеством звезд. Такой подход Ньютона понятен; если бы число звезд было конечным, то, по расчетам, сила взаимного притяжения стянула бы их воедино в гигантский звездный клубок.
В модели Вселенной Ньютона есть два парадокса, необъяснимых с точки зрения его теории. Судите сами: если число звезд бесконечно, то они должны создавать яркую и равномерную освещенность неба. А этого на самом деле нет.
Кроме того, в бесконечной Вселенной само тяготение должно возрастать бесконечно, и это должно вызвать огромные скорости движения звезд. А на опыте ничего подобного не наблюдалось.
Ньютон обнаружил эти несоответствия в своей модели, но решил эту проблему достаточно просто, придя к выводу, что Бог всегда присутствует во Вселенной и исправляет эти несообразности [1].
Пытаясь понять, что представляет собой Вселенная, Эйнштейн столкнулся с теми же трудностями, которые рождает бесконечность. В своей работе «Вопросы космологии и общая теория относительности» он пишет: «Мне не удалось установить граничные условия для пространственной бесконечности… Если бы можно было рассматривать мир в его пространственной протяженности как замкнутый, то подобного рода граничные условия были бы вообще не нужны» [2].
Натолкнувшись на идею конечной Вселенной, Эйнштейн все свои силы сосредоточил на поиски доказательств правильности – или хотя бы возможности - ее существования.
Чтобы избавиться от пороков бесконечности, Эйнштейн заменил бесконечную «плоскую» ньютонову Вселенную конечной. Конечное пространство по необходимости должно быть замкнутым и искривленным, подобно тому, как обязательно искривлена любая замкнутая поверхность.
Далее Эйнштейн предположил, что средняя плотность материи во Вселенной постоянна и настолько велика, что обеспечивает положительную кривизну. Надо сказать, что только при положительной кривизне пространство замкнуто и конечно.
Исходя из факта малых звездных скоростей, Эйнштейн предположил, что Вселенная должна быть стационарной, что ее структура и кривизна не должны меняться со временем.
Однако из его теории вытекала новая проблема: под действием гравитационных сил замкнутая Вселенная должна сжиматься. Получалось, что, избавляясь от неприятностей, связанных с бесконечностью Вселенной, Эйнштейн наткнулся на неприятности, вызванные именно конечностью, замкнутостью нашего мира.
Чтобы выйти из трудного положения, и сохранить стационарность Вселенной, Эйнштейн был вынужден ввести в свои уравнения поля тяготения так называемый космологический член. Иными словами, он ввел новую «антигравитационную силу», которая удерживает звезды на расстоянии друг от друга и препятствует стягиванию Вселенной. Поддерживает стационарность Вселенной.
«Не от хорошей жизни» ввел он эту постоянную. «Для того, чтобы придти к этому свободному от противоречий представлению, мы должны были все же ввести новое расширение уравнений поля тяготения, не оправдываемое нашими действительными знаниями о тяготении» [2].
Ему была необходимо стационарность Вселенной. Поэтому он утверждал, что пространство-время само по себе всегда расширяется и этим расширением уравновешивается притяжение всей остальной материи во Вселенной, так что в результате Вселенная оказывается статической.
Вселенная.
С большим трудом, преодолевая огромные препятствия, Эйнштейн, наконец, построил модель мира, которая достаточно хорошо отражала мир реальный. Во всяком случае, в известных тогда науке границах.
И вот теперь какой-то Фридман заявляет, что Вселенная нестационарна.
А что, собственно, сделал Фридман?
Оказывается, он нашел общее решение системы уравнений тяготения, и пришел к выводу: Вселенная нестационарна, ее кривизна меняется. Решение Эйнштейна является лишь частным случаем.
Решение Фридмана открывало две возможности: монотонное в одном направлении, например, непрерывное расширения, или периодическое возрастание и уменьшение кривизны. Во втором случае Вселенная, словно сердце, должна была то расширяться, то сжиматься.
Прочитав статью Фридмана, Эйнштейн тот час же отреагировал на нее, написав ответ под названием «Замечания к работе А. Фридмана». Он писал: «Результаты относительно нестационарного мира , содержащиеся в упомянутой работе, представляются мне подозрительными».
Фридман устоял перед силой авторитета. Он заново произвел все вычисления, причем решил систему уравнений без всяких упрощений и дополнительных космологических членов, и попросил своего товарища, физика Краткова, ехавшего в Берлин, передать их Эйнштейну.
Спустя несколько месяцев в том же журнале появилась еще одна маленькая заметка. Вот она целиком. «К работе А. Фридмана "О кривизне пространства”. В предыдущей заметке я подверг критике названную выше работу. Однако, моя критика, как я убедился из письма Фридмана, сообщенного мне господином Крутковым, основывалась на ошибке в вычислениях. Я считаю результаты г. Фридмана правильными, и проливающими новый свет. Оказывается , что уравнения поля допускают наряду со статическими также и динамические (т.е. переменные относительно времени) центрально-симметричные решения для структуры пространства» [3].
Эйнштейн не был бы Эйнштейном, не появись этого публичного признания своей неправоты.
Но вернемся к нестационарной Вселенной Фридмана. В своих исследованиях Фридман сделал исходное предположение: Вселенная одинакова во всех направлениях и остается таковой, откуда бы мы ее ни рассматривали. Долгое время считалось, что предположение об одинаковости Вселенной является грубым приближением к реальной Вселенной. В модели Фридмана все галактики удаляются друг от друга. Это вроде бы как надутый шарик, на который нанесены точки, и если его все больше надувать, расстояние между точками увеличивается. При этом ни одну из точек нельзя назвать центром расширения.
Словом, Фридман в 1922 году доказал, что Вселенная не должна быть статической. Это произошло за несколько лет до открытия Хаббла.
В 1924 году американский астроном Эдвин Хаббл показал, что наша Галактика не является единственной. Существует много галактик, разделенных огромными областями пустого пространства. Если бы наблюдатель увидел нашу Галактику извне, то он обнаружил бы, что она имеет вид спирали и медленно вращается. Звезды в ее спиральных рукавах делают примерно один оборот вокруг ее центра каждые несколько сотен миллионов лет. Наше Солнце представляет собой обычную желтую звезду средней величины, расположенную на внутренней стороне одного из спиральных рукавов.
Продолжив свои исследования, в 1929 году Хаббл, фотографируя спектры далеких галактик, получил неопровержимые доказательства того, что Вселенная расширяется. Это открытие Хаббла явилось триумфом Фридмана, до которого Фридман не дожил, скончавшись от холеры в 1925 году в возрасте 36 лет.
Сегодня известно, что Вселенная расширяется за каждую тысячу миллионов лет на 5-10%. Все галактики удаляются от нас, причем, чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется.
Открытие расширяющейся Вселенной было одним из великих интеллектуальные переворотов двадцатого века.
Лауреат Нобелевской премии физик-теоретик Стивен Хокинг пишет: "Имеющиеся данные говорят о том, что Вселенная, вероятно, будет расширяться вечно. Единственное, в чем можно быть совершенно уверенным, так это в том, что если сжатие Вселенной все-таки произойдет, то никак не раньше, чем через десять миллионов лет, ибо, по крайней мере, столько времени она уже расширяется. Но это не должно нас тревожить: к тому времени, если мы не переселимся за пределы Солнечной системы, человечества давно уже не будет - оно угаснет вместе с Солнцем" [4].
В соответствии с теорией Фридмана, которая дает удивительно точное описание нашей Вселенной, пространство-время, наполненное чрезвычайно плотной материей, появилось в результате чудовищного взрыва из точки и начало неудержимо расширяться. Если бы звезды были видны только лишь из одного места Земли,
туда бы стекалось больше паломников, чем куда-либо
Римский философ Сенека.
О точке сингулярности.
Согласно общей теории относительности (ОТО), на которой основаны решения Фридмана, Вселенная могла иметь особую точку – сингулярную. Сингулярность от лат singularis – отдельный, особый. Но было неясно: следует ли из ОТО, что у Вселенной должно было быть начало времени – большой взрыв?
Началом ответа на этот вопрос можно считать работу английского физика и математика Рождера Пенроуза, опубликованную в 1965 году.
Ему удалось математически доказать, что при сжатии звезды под действием собственных сил гравитации, она ограничивается областью, поверхность которой сжимается до нуля. А раз поверхность этой области сжимается до нуля, то же самое происходит и с ее объемом. Все вещество звезды будет сжато в нулевом объеме, так что ее плотность и кривизна пространства-времени станут бесконечными. Иными словами, возникнет сингулярность в некой области пространства- времени, которую назвали «черной дырой» [1].
Теорема Пенроуза относилась к звездам, и в ней ничего не говорилось о том, испытала ли Вселенная в прошлом большой взрыв? Если большой взрыв был, то должно быть и начало времени!
За решение этого вопроса взялся Стивен Хокинг. Он применил теорему Пенроуза по отношению ко Вселенной, изменив направление времени на обратное, так, чтобы сжатие перешло в расширение. По теореме Пероуза конечным состоянием любой коллапсирующей звезды должна была стать сингулярность. При обращении времени эта теорема утверждает, что в модели Фридмана начальным состоянием расширяющейся Вселенной тоже должна быть сингулярность. Хокинг вел в теорему Пенроуза в качестве условия требование, чтобы Вселенная была бесконечной в пространстве. Ему необходимо было доказать, что сингулярность должна существовать при условии, что Вселенная расширяется достаточно быстро, чтобы не началось повторное сжатие.
Дальнейшую работу Хокинг и Пенроуз продолжили совместно. В 1970 году они, исходя из общей теории относительности, доказали, что у Вселенной должна была быть сингулярная точка, и, следовательно, было начало времени. Из их доказательства следовало, что ОТО представляет собой неполную теорию, так как в ней нет ответа на вопрос: как возникла Вселенная, потому что все физические теории, и она сама нарушаются в точке возникновения Вселенной [2].
Предсказав наличие точки сингулярности, в которой плотность становится бесконечной (в случае черных дыр и в случае большого взрыва), ОТО сама предрекла свое поражение.
Итак, теория подтвердила наличие большого взрыва, в результате которого возникла наша Вселенная.
В 1930-е годы среди ученых рассматривалась модель холодной Вселенной, в которой вещество существовало в виде холодных нейтронов. Однако, как выяснилось позднее, в такой Вселенной в результате цепочки ядерных реакций (с образованием протона, дейтерия и т. д.) все вещество, в конце концов, превратилось бы в гелий. Это противоречит наблюдениям, поскольку подавляющая часть вещества Вселенной состоит из водорода.
Горячая Вселенная Гамова.
В 1948 году российский ученый Георгий Гамов предложил модель горячей Вселенной, расширив идею Фридмана о том, что первичное вещество было не только очень плотным, но и очень горячим [3].
Учитывая, что расширяющаяся Вселенная продолжает охлаждаться, можно экстраполировать ее температуру назад во времени. Это и было сделано. Оказалось, что в момент взрыва Вселенная была бесконечно плотной и горячей, в виде огненного шара.
Надо сказать, что Георгий Гамов, выдающийся русский физик и астрофизик, который сотрудничал с Эйнштейном, Дираком, Ландау, в 1933 году, эмигрировал в США, из-за чего был лишен звания академика АНСССР и все прочих регалий. Даже в научных работах его имя было запрещено и на его работы нельзя было ссылаться. После перестройки запреты по поводу Гамова были сняты, и все научные регалии ему возвращены, но посмертно.
Идея горячей Вселенной Гамова состояла в том, что в горячем и плотном веществе ранней Вселенной происходят ядерные реакции, и в этом ядерном котле за несколько минут синтезируются все химические элементы. Это не совсем так, ибо, как выяснилось позже, в этом ядерном котле синтезируются только легкие элементы, а элементы тяжелее гелия синтезируются в звездах.
По мнению Гамова, вещество огненного шара представляло собой однородную горячую плазму, состоящую, в основном, из электронов и протонов, обильно перемешанных космическим излучением.
Действительно, при повышении температуры до нескольких сотен градусов распадаются молекулы, а при дальнейшем ее росте постепенно разрушаются ядра. Эксперименты показали, что при температуре около 3000 градусов Кельвина электроны отрываются от ядер, которые примерно при миллиарде градусов распадаются на протоны и электроны (собирательно, нуклоны). С приближением к триллиону градусов нуклоны разбиваются на свои элементарные составляющие – кварки.
Чтобы понять состав огненного шара, надо знать, что происходит при высокоэнергичных столкновениях частиц. Именно с этой целью создаются ускорители элементарных частиц – коллайдеры. В коллайдерах частицы, направленные навстречу друг другу, разгоняются почти до скоростей, близких к скорости света и при столкновениях возникают необычные явления. Например, две частицы при столкновениях изменяют свой тип, и могут породить целый фейерверк из десятка новых части, разлетающихся из точки столкновения. Прекрасное подтверждение того, что энергия и масса взаимообратимы [4].
Нечто подобное, по мнению исследователей, происходило и в первые доли секунды после большого взрыва. В ранней Вселенной частицы безостановочно сталкиваются друг с другом, и огненный шар наполняется всеми типами частиц, какие только могут быть созданы в этих столкновениях.
Сегодня в Большом Адроном Коллайдере (БАК) под Женевой в результате столкновения встречных потоков протонов получено состояние праматери–легкая кварк-глюонная плазма, которая, по мнению исследователей , соответствует состоянию Вселенной через10-34 секунды после большого взрыва. Ученые почти приблизились к эпицентру акта творения.
Это безмассовое состояние праматери ученые надеются наделить массой. Это произойдет, если удастся получить протоны и электроны. Пока этого не произошло, хотя за счет столкновения ионов свинца исследователи сумели получить состояние Вселенной через 10-11 секунды после Большого взрыва, т.е. гораздо позднее. Это- безмассовая тяжелая кварк-глюонная плазма. Но материи пока нет.
Обратите внимание , о каких ничтожно малых промежутках времени идет речь. Дело в том, что формирование Вселенной и происходило за малые промежутки времени. Все самое главное укладывается в первую секунду.
И этот чрезвычайно малый промежуток времени, за который, в основном¸ была сформирована наша Вселенная, ученые условно разбили на так называемые «эпохи».
Эпохи формирования Вселенной.
По современным представлениям наблюдаемая нами сегодня Вселенная возникла приблизительно 13,5-14 млрд. лет назад в результате Большого взрыва и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается.
Мы уже знаем, что теория большого взрыва и горячей Вселенной не дает никаких объяснений тому, что предшествовало этому моменту, но она и не отрицает возможность существования чего-либо до взрыва.
Согласно теории Фридмана в начальный момент времени расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю, а плотность и кривизна Вселенной должны были быть бесконечными.
Уравнения Фридмана можно использовать для определения температуры и плотности огненного шара в любой момент времени. Например, спустя одну секунду после Большого взрыва температура составляет 10 миллиардов градусов, а плотность — около 1 тонны на кубический сантиметр. Но к одной минуте Вселенная уже должна быть сформирована. И поскольку точка сингулярности существует, и большой взрыв был, то, значит, было и начало времени.
Именно это утверждал Святой Августин, который говорил: «Время – это свойство вселенной, которое появилось вместе с ней самой».
В честь святого Августина Георгий Гамов предложил назвать состояние Вселенной «до и в момент» Большого взрыва Августинской эпохой. Так что наша Вселенная началась с Августинской эпохи.
А далее ученые, основываясь на ОТО, буквально по долям секунды (названные «эпохами») представили теоретически процесс формирования Вселенной.
Планковская эпоха следует за Августинской эпохой и по времени занимает от 10-43 с. после большого взрыва до 10-35.секунды. Начиная с планковской эпохи действует ОТО и возможно научное исследование процесса.
При этом планковская температура плазмы 1032К, а планковская плотность 1093г/см3. Вселенная в этот момент однородна и изотропна; является геометрически плоской. Во время планковской эпохи по предположению ученых гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий.
Инфляционная эпоха (инфляции – это раздувание) начинается через 10-35 с. после Большого взрыва и длиться до 10-32 с. Она характерна увеличением размера Вселенной в 10100 раз ( по расчетам Линде). Во Вселенной, заполненной излучением, начинают образовываться кварки и гипероны. Вот это состояние и сумели смоделировать ученые на БАК.
Эпоха электрослабых взаимодействия расположена между 10-32 и 10-12 с. Электромагнитные и слабые взаимодействия пока еще объединены в единое электрослабое взаимодействие. За счет высоких энергий образуются некоторые тяжелые частицы, в частности, бозоны. По предположениям ученых, именно в этот момент должен появиться бозон Хиггса, который соединит кварки и глюоны в протоны, наделив их массой. Заметим, что на БАК состояние первоматерии получениы при 10-35 с. и 10-11 с после большого взрыва, но бозона Хигса пока нет.
Эпоха кварков располагается между 10-12 и 10-6 с. Электромагнитное, гравитационное , сильно и слабое взаимодействия формируются в современном виде, но поскольку температуры и энергии еще слишком велики кварки пока не группируются в адроны. Адроны- частицы, участвующие в сильных взаимодействиях , например, протоны.
Эпоха адронов наступает между 10-6 и 1 с. после большого взрыва. Кварк-глюонная плазма охлаждается, и кварки начинают группироваться в протоны и нейтроны. Примерно через 1 с. должны были высвободиться нейтрино и начать свободно двигаться в пространстве.
Надо иметь в виду, что температура Вселенной хотя и снижалась от эпохи е эпохе, но была еще чрезвычайно высока. Так, через 0, 1 сек. после начало расширения температура была около 30 млрд. К. , а через секунду после взрыва она составляла 10 млрд. градусов.
Эпоха нуклеосинтеза расположена между 1 секундой и 3-мя минутами после большого взрыва. Интенсивно образуются нуклоны, которые представляют собой протоны и нейтроны, иными словами - ядра. За время этой эпохи образовался первичный состав звездного вещества: около 25% гелий, 4% дейтерий, следы тяжелых элементов, остальное – водород.
Примерно через 380 000 лет, когда температура Вселенной достигла значение 4000 К, стали образовываться атомы. Из состояния плазмы, непрозрачной для электромагнитного излучения, материя перешла в газообразное состояние. С этого момента Вселенная стала прозрачна для излучения.
Космолог Джозеф Силк в своей книге «Большой Взрыв» пишет о том, что в течение первых 380 000 лет после Большого Взрыва наблюдать раннюю Вселенную было не проще , чем высматривать что-то в густом тумане. То есть, плотность Вселенной была чрезвычайно большой, и прозрачной она стала, когда плотность и температура упали до такого уровня, что смогла образоваться материя [5].
Излучение, предсказанное Гамовым, практически перестало взаимодействовать с веществом, оно как бы отделилось от него и стало эволюционировать независимо.
Эволюция вещества привела к образованию того сложного, многообразного Мира, в котором мы живем. А излучение, которое впоследствии назвали реликтовым, продолжало равномерно заполнять все пространство, только плотность и температура его с расширением Вселенной уменьшалась.
|
