Ольга Стрельник - Концепции современного естествознания: конспект лекций
1. Космологический принцип однородности и изотропности пространства. Изотропность означает, что во Вселенной не существует выделенных точек и направлений. Однородность характеризует распределение вещества во Вселенной. Космологический постулат имеет сильный и слабый варианты. Слабый вариант предполагает независимость процессов, протекающих во Вселенной, от направления (изотропность) и места (однородность). Сильный вариант космологического принципа предполагает независимость (инвариантность преобразований) процессов не только от направления и места, но и от времени. Это значит, что Вселенная выглядит одинаково из любого места, в любом направлении и в любой момент времени. Этот принцип получил название совершенного космологического принципа.
2. Релятивистский принцип взаимосвязи пространства и времени и их зависимости от материи. Пространственно-временная метрика Вселенной задается гравитационными полями, признаются также искривленность пространства и замедление времени во всех частях Метагалактики. Пространственно-временная метрика описывается уравнениями общей теории относительности.
3. Принцип конечной скорости протекания любыгх физических процессов.
4. Принцип нестационарности Вселенной, поначалу основанный только на математических расчетах, согласно которым искривленное пространство не может быть стационарным, его кривизна должна меняться во времени.
Все эти принципы дают основание переносить данные, полученные в одной части Вселенной, на все остальные ее части.
А. фридман предложил три модели Вселенной. В первой рассматривается случай средней плотности вещества и неискривленности пространства. В такой ситуации Вселенная должна бесконечно расширяться из некоторой исходной точки. Во второй модели предполагалась плотность вещества меньше критической. В этом случае пространство обладает отрицательной кривизной, а Вселенная также должна неограниченно расширяться из начальной точки. В третьей модели рассматривался случай плотности вещества выше критической. В этой ситуации пространство должно иметь положительную кривизну, а Вселенная периодически расширяться и сжиматься.
Концепция А. фридмана некоторое время не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. физик Э. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» в спектрах удаленных галактик. «Красное смещение» означает понижение частот электромагнитного излучения при удалении источника света от наблюдателя. Т. е. если источник света удаляется от нас, то воспринимаемая частота излучений уменьшается, а длины волн увеличиваются, линии видимого спектра смещаются в сторону более длинных красных волн. Оказалось, что «красное смещение» пропорционально расстоянию до источника света. Исследования Э. Хаб-бла подтвердили, что удаленные от нас галактики разбегаются, т. е. Вселенная находится в состоянии расширения, а значит, нестационарна. Другим важным экспериментальным свидетельством в пользу гипотезы расширяющейся Вселенной стало открытие реликтового излучения – слабого радиоизлучения, свойства которого являются в точности такими, какими они должны были быть на этапе горячей, взрывной Вселенной.
В 1927 г. бельгийский ученый Ж. Леметр предложил понятие сингулярности как исходное состояние Вселенной. Ж. Леметр предположил, что первоначальный радиус Вселенной равнялся 10-12см, а ее плотность– 1096г/см3, т. е. в начальном состоянии Вселенная должна представлять собой микрообьект, по размерам близкий к электрону. В 1965 г. С. Хокинг математически обосновал необходимость состояния сингулярности в любой модели расширяющейся Вселенной.
Представление о развитии Вселенной привело к постановке проблемы начала эволюции (рождения) Вселенной и ее конца (смерти). Вселенная развивается из исходного сингулярного состояния, радиус которого бесконечно мал, а плотность материи бесконечно велика, проходит различные этапы своего развития, а затем умирает. Состояние сингулярности можно трактовать как обрыв времени в прошлом. По-видимому, такой обрыв времени следует предположить и в будущем. В моделях пульсирующей Вселенной та точка, в которой расширение сменится сжатием, рассматривается как обрыв времени в будущем. Момент «начала» времени называется Большим Взрывом. Момент «конца» времени был назван Ф. Типлером Великим Стоком.
Если есть рождение и смерть, то можно говорить о возрасте Вселенной. Ученые рассчитали, что если бы скорость расширения была постоянной на протяжении всего существования Вселенной, то можно было бы говорить о возрасте в 18 млрд лет. Однако современная космология утверждает, что расширение Вселенной постепенно замедляется. Поэтому время, прошедшее с момента Большого Взрыва, может составить 12 млрд лет. Если же предположить существование космических сил отталкивания – такое допущение делается в инфляционных моделях, – то возраст Вселенной будет значительно больше. Современные космологи оценивают возраст Вселенной в 12–20 млрд лет.
С представлением о возрасте Вселенной связано понятие космологического горизонта, отделяющего доступную для наблюдений область пространства от недоступной. За время, прошедшее с момента возникновения Вселенной, свет мог пройти конечное расстояние, которое оценивается величиной в 6000 Мпк. Мы можем наблюдать только ту часть мира, которая находится в пределах этого радиуса, поскольку от более удаленных областей пространства свет еще не успел до нас дойти. Кроме того, удаленные области пространства мы видим такими, какими они были миллиарды лет назад. Космологический горизонт растет пропорционально времени, с каждым днем область доступной для наблюдения Вселенной увеличивается.
В 40-е гг. XX в. наступил новый этап развития космологии: для объяснения происхождения Вселенной американским физиком Дж. Гамов^хм б^1ла предложена гипотеза Большого Взрыва. Согласно этой гипотезе, Вселенная возникла в результате взрыва из первоначального состояния сингулярности. Дальнейшая эволюция происходила поэтапно и сопровождалась, с одной стороны, дифференциацией, а с другой – усложнением структур. Этапы эволюции Вселенной называются эрами.
Адронная эра: длительность 10-7с, температура Вселенной составляет 1032К. Главными действующими лицами являются элементарные частицы, между которыми осуществляется сильное взаимодействие. Вселенная представляет собой разогретую плазму.
Лептонная эра: длительность 10 с, температура Вселенной 1015К. Главные действующие лица – лептоны (электроны, позитроны и др.).
Эра излучения:: длительность 1 млн лет, температура Вселенной 10 000 К. В это время во Вселенной преобладало излучение, а вещество было ионизированным.
Эра вещества:: длится и сейчас. Вселенная остывает, становится нейтральной и темной, образуется вещество. В начале этой эры возникают первые протозвезды и протогалак-тики. Излучение перестает взаимодействовать с веществом и начинает свободно перемещаться по Вселенной. Именно эти фотоны и нейтрино, остывшие до 3 К, наблюдаются сейчас в виде реликтового излучения.
Гипотезу Большого Взрыва называют также моделью горячей Вселенной, или стандартной моделью. Эта гипотеза стала общепринятой после открытия в 1965 г. реликтового излучения. Несмотря на стандартность и общепринятость, концепция Большого Взрыва не дает ответа на некоторые вопросы. Например, каковы причины образования галактик из ионизированного газа? Почему наблюдается асимметрия вещества и антивещества? Самой большой проблемой остается состояние сингулярности, введение которого требуется уравнениями общей теории относительности А. Эйнштейна.
Для моделирования первых мгновений существования Вселенной, прояснения причин Большого Взрыва и обьяс-нения сингулярности физиком А. Гутом была предложена инфляционная гипотеза, или модель инфляционной Вселенной. На данном этапе развития науки инфляционная концепция не может получить прямого эмпирического подтверждения, однако она предсказывает новые факты, которые в принципе могут быть проверены. Инфляционная теория описывает эволюцию Вселенной начиная с 10-45с после начала расширения. Модель раздувающейся (инфляционной) Вселенной не противоречит гипотезе Большого Взрыва, включая ее в качестве своего частного случая. Различие между концепцией Большого Взрыва и концепцией инфляционной Вселенной касается только первых мгновений существования мира– до 10-30с, принципиальных мировоззренческих расхождений между этими гипотезами нет.
Согласно инфляционной модели первоначальное состояние Вселенной – состояние квантовой супергравитации. Радиус Вселенной в этот момент составляет 10-50см. Это значительно меньше радиуса атомного ядра, который оценивается величиной 10-13см. Первоначальное состояние Вселенной – вакуум, особая форма материи, характеризующаяся высокой активностью. Вакуум как бы «кипит», в нем постоянно рождаются и уничтожаются виртуальные частицы. Возникновение частиц из вакуума описывается понятием флуктуации. Вакуум может находиться в состояниях, характеризующихся разными давлениями и энергиями. Если вакуум возбужден (так называемый ложный вакуум), то в процессе порождения и уничтожения виртуальных частиц возникает огромная сила космического отталкивания, которая и приводит к раздуванию «пузырей» – зародышей вселенных. Исходное состояние ложного вакуума можно сравнить с кипением воды в котле. Каждый из «пузырей» – домен, отдельная Вселенная, характеризующаяся собственными значениями фундаментальных физических констант. Считается, что наша Вселенная – один из «пузырей», возникших из вакуумной пены.
