Модели эволюции Вселенной

Строение и эволюцию Вселенной изучает космология. Первые космологические идеи сохранились до наших дней в виде мифов. Они основывались на астрономических наблюдениях, начавшихся в глубокой древности. Из истории известно о больших успехах жрецов Вавилона, Египта, Индии и Китая в наблюдении за небом: им удалось точно вычислить продолжительность года, повторяемость солнечных и лунных затмений и др. Когда на смену мифологии пришла философия, космологические идеи развивались в рамках различных философских и религиозно-философских концепций.

Во времена Ньютона считалось, что Вселенная бесконечна в пространстве и во времени. Движением и развитием небесных тел управляет закон всемирного тяготения. Количество звезд, планет и звездных систем во Вселенной бесконечно велико. На смену погасшим звездам вспыхивают новые. Хотя некоторые детали возникновения и гибели небесных тел оставались неясными и для объяснения причин инерциального движения планет и любых материальных тел Ньютон допускал божественное вмешательство, в целом эта модель казалась стройной и непротиворечивой. Серьезные сомнения в ней появились к концу XIX в. Если предположить, что в бесконечной Вселенной существует бесконечное количество звезд и они распределены в пространстве равномерно, то небосвод имел бы такую яркость, что даже Солнце на его фоне казалось бы черным пятном. Это парадоксальное утверждение получило название фотометрического парадокса Шезо–Ольберса.

Немецкий астроном К. Зеелигер обратил внимание на другой парадокс, неизбежно вытекавший из представлений о бесконечности Вселенной. Он получил название гравитационного парадокса. В бесконечной Вселенной сила тяготения на данное тело со стороны всех остальных оказывается бесконечно большой или неопределенной, в зависимости от способа вычисления. Так как ничего похожего в космосе не наблюдается, то Зеелигер сделал вывод, что количество небесных тел ограничено и Вселенная не бесконечна.

Фотометрический и гравитационный парадоксы зародили сомнения в пространственной бесконечности Вселенной и заставили А. Эйнштейна в 1917 г. предложить, опираясь на выводы общей теории относительности, модель конечной, но безграничной Вселенной. Мировое пространство, согласно ей, замкнуто и представляет собой четырехмерную сферу, для которой верна не привычная геометрия Евклида, а геометрия Римана. Объем такой Вселенной может быть выражен конечным числом кубометров, но в то же время, двигаясь по ней в одном направлении, мы нигде не встретим границ. В этом смысле Вселенная безгранична, как и поверхность любой сферы.

В 1922 г. советский физик и математик А. Фридман на основании расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна никак не может быть стационарной, неизменной. Основываясь на предположении об изотропности и однородности Вселенной, он доказал, что уравнения Эйнштейна имеют нестационарные решения и Вселенная может либо расширяться, либо сжиматься.

Доказательства в пользу модели расширяющейся Вселенной были получены в 1929 г., когда американский астроном Э. Хаббл с помощью астрофизических наблюдений обнаружил красное смещение спектральных линий далеких галактик. Оно было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. После этого открытия в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной. Ее составной частью является теория Большого взрыва (the big bang theory), впервые предложенная американским физиком Г. Гамовым в 1948 г. Позже она была дополнена инфляционной теорией или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной в начале 80-х гг. американскими учеными А. Гутом и П. Стейнхардтом и дополненной советским физиком А. Линде.

Экстраполяция процесса расширения в прошлое позволяет оценить вероятное время жизни Вселенной, если считать, что расширение началось из точки. Получается примерно 15 млрд лет. Начало трактуется как большой взрыв. Он сопровождался сначала быстрым, потом умеренным расширением при очень высокой температуре и далее постепенным охлаждением Вселенной. Исходное состояние – сингулярная точка – определяется как сверхплотное и сверхгорячее (температура 10³² ºК, плотность 10⁹⁴ кг/м³). Допуская, что из такого состояния началось внезапное расширение, физики реконструируют историю Вселенной, различая этапы эволюции по характеристикам взаимодействия элементарных частиц. Не вдаваясь в детали физических процессов, представим себе картину в целом, сжав 15 млрд лет в один условный год. Тогда образование галактик датируется 10 января, образование Солнечной системы – 9 сентября, возникновение жизни на Земле – 25 сентября, первые млекопитающие появились 26 декабря, а первые люди – 31 декабря в 22 часа 30 минут.

Остается открытым вопрос, что было до начала расширения Вселенной и каково ее будущее? Расчеты Фридмана допускали три варианта развития событий. Определяющим параметром здесь является средняя плотность вещества во Вселенной, точно оценить которую пока не удалось. Если она выше критической, то со временем расширение сменится сжатием. Если ниже, то расширение будет иметь необратимый характер. В граничном случае, при равенстве средней и критической плотностей, расширение не прекратится, но его скорость будет уменьшаться. В последние годы обсуждаются предположения о том, что Большого взрыва могло не быть и Вселенная расширялась не всегда, а как бы пульсировала между конечными пределами плотности, расширение периодически сменялось сжатием. Доказательства в пользу теории пульсирующей Вселенной имеют пока чисто математический характер.

Структура Вселенной

Вселенная включает в себя множество галактик. Галактики, подобно звездам, располагаются группами. В конце 70-х гг. ХХ в. было обнаружено, что Вселенная имеет ячеистую структуру, которая напоминает паутину. Галактики в ней распределены не равномерно, а сосредоточены вблизи границ ячеек. Причем в сравнительно небольших масштабах (в пределах галактики) вещество распределено явно неравномерно, но в масштабах сверхскоплений галактик – относительно равномерно. Поэтому полагают, что в целом Вселенную можно считать и изотропной, и однородной.

По внешнему виду галактики условно делят на три типа: спиральные, эллиптические и неправильные. Более 70 % галактик, в том числе и наша, имеют спиральную структуру. Наша галактика (Млечный Путь) считается рядовой звездной системой. Она состоит почти из 200 млрд звезд и имеет довольно сложное строение – диска с утолщением в центре и спиралевидными рукавами, выходящими из ядра галактики, в которых сконцентрированы наиболее яркие звезды и массивные газовые облака. Мы ядро нашей галактики не видим, так как оно закрыто от нас межзвездной пылью и обнаруживает себя только в инфракрасном и радиодиапазонах. Солнечная система расположена на периферии нашей галактики, на расстоянии 2·10¹⁷ км от ее центра между спиральными рукавами, и движется вокруг центра галактики со скоростью 250 км/с, совершая полный оборот примерно за 290 млн лет. Лишь в 70-е гг. удалось удовлетворительно объяснить механизм возникновения вихревых движений галактик в однородной и изотропной Вселенной. Согласно газодинамической теории процесс образования Вселенной сопровождался движением потоков вещества со сверхзвуковыми скоростями. От столкновения потоков образовывались ударные волны. При пересечении потоком вещества фронта ударной волны возникали мощные вихревые движения. Так как газодинамические явления всегда сочетаются с электромагнитными, магнитогидродинамическими и гравитационными, то образование структур во Вселенной (звезд, галактик, планет) сейчас обсуждается как сложный коллективный процесс.

Если посмотреть на ночное небо, то невооруженным глазом можно увидеть около 6000 звезд. Сосчитаны и занесены в звездные каталоги все звезды ярче 11-й звездной величины. Их около миллиона. Всего нашему наблюдению доступно около 2 млрд звезд, а общее их количество во Вселенной оценивается в 10²². Вещество звезд представляет собой плазму – ионизированный газ. Высокая светимость звезд, поддерживаемая в течение длительного времени, связана с выделением огромного количества энергии. Сегодня считается, что она обеспечена двумя источниками – гравитационным сжатием и термоядерными реакциями. Возраст звезд меняется в большом диапазоне значений: от 15 млрд лет до сотен тысяч лет. Звезды различаются по светимости, массе, плотности, радиусу, температуре. В соответствии с этим их подразделяют на разные классы. Самые многочисленные – карлики с массами примерно в 10 раз меньше массы Солнца (масса Солнца 1,99·10³³ г). Есть красные и желтые гиганты и сверхгиганты, во много раз превосходящие по размеру наше Солнце. Конечные судьбы звезд определяются их массами. Из небольших звезд образуются белые карлики, медленно остывающие и превращающиеся в не излучающие свет черные карлики. На заключительной стадии эволюции более крупных звезд, обладающих массами от 1,2 до 2 масс Солнца, образуются нейтронные звезды, состоящие из протонов и нейтронов и имеющие огромную плотность (до 100 млн т/ см³). Пульсары являются намагниченными вращающимися нейтронными звездами. Если масса звезды составляет более 2 солнечных масс, она должна превратиться в «черную дыру» – объект с гигантской массой и микроскопическими размерами, образующийся в результате гравитационного коллапса (катастрофического сжатия) крупных звезд, ничего не выпускающий наружу, не излучающий и не отражающий. Предполагают, что «черные дыры», являющиеся мощными источниками рентгеновского излучения, находятся в ядрах галактик.

Наше Солнце относится к разряду желтых карликов, в нем сосредоточено 99,8 % массы Солнечной системы. Его диаметр равен 1 400 000 км, температура на поверхности – около 6000 К, в глубине – 10-15 млн К. Полагают, что приблизительно через 5 млрд лет запас водородного горючего начнет истощаться и Солнце начнет расширяться, превращаясь в красного гиганта. Наступит момент, когда оно будет излучать в 100 раз больше энергии, чем сейчас. Внутренние планеты Солнечной системы потеряют атмосферу и распадутся. Затем Солнце сожмется и превратится в очень слабый белый карлик.

Поток информации о космосе особенно возрос в последние годы, когда началось изучение планет, комет, звезд и межпланетного пространства с применением космических аппаратов, радиотелескопов и др. Вновь поступающая информация подчас коренным образом меняет многие ранее сложившиеся представления. Накопление фактических данных о Солнечной системе, галактиках, звездах и Вселенной в целом еще далеко до завершения.

До настоящего времени спорными остаются вопросы, касающиеся причин и движущих сил эволюции Вселенной. Есть две основные концепции, пытающиеся объяснить космическую эволюцию: теория самоорганизации (синергетика) и креационизм. Теория самоорганизации Пригожина–Арнольда–Хакена, комментируя некоторые явления упорядочения, пока предлагает лишь некоторые теоретические размышления и аналогии. Эволюция Вселенной рассматривается в ней как самопроизвольный процесс упорядочивания и усложнения систем. Первоначальный хаос порождает порядок, который совершенствуется путем случайного отбора наиболее устойчивых и продуктивных структур. Вопрос о цели космической эволюции здесь не рассматривается. В концепции креационизма (творения) эволюция Вселенной связывается с реализацией программы, определяемой не случайными материальными причинами, а реальностью более высокого порядка (Богом). Процесс развития Вселенной, согласно этой концепции, имеет целенаправленный характер. Появление разума и человека не только заранее запланировано, но и имеет определенное предназначение, которое проявит себя в дальнейшем. Если человечество продолжит свое существование и его способность к познанию окружающего мира сохранится, то, возможно, одной из главных задач научного поиска станет осознание своего предназначения в развивающейся Вселенной.

Вопросы для самоконтроля

1. Что изучает космология?

2. Когда появились первые космологические концепции?

3. Какие представления о происхождении и строении Вселенной были во времена Ньютона?

4. В чем суть фотометрического и гравитационного космологических парадоксов?

5. Охарактеризуйте модель стационарной Вселенной А.Эйнштейна.

6. Когда и кем была разработана модель расширяющейся Вселенной?

7. В чем суть теории Большого взрыва?

8. Какие еще концепции происхождения и эволюции Вселенной вам известны?

9. Каково строение Вселенной?

10. Что представляют собой галактики и каковы их виды?

11. Что такое звезды? Как их классифицируют?