Большой взрыв - Эволюция и происхождение Вселенной
О Большом Взрыве ежегодно публикуется огромное число статей и в научной и в научно-популярной печати. Но самое-то интересное заключается в том, что взрыва в обычном понимании этого слова не было! Справедливо ли применять слово "взрыв" к начальным стадиям расширения Вселенной? Другими словами, можно ли сказать, что огромное давление сжатой в точку Вселенной явилось причиной ее расширения (взрыв бомбы)?
Нет! При взрыве расширение происходит из-за разности между большим давлением продуктов взрыва и малым давлением окружающего их атмосферного воздуха. Но когда мы рассматриваем раннюю Вселенную, понятия "снаружи" и "внутри" теряют смысл, а давление в однородной Вселенной распределено равномерно. Между различными частями Вселенной нет разности давления, а значит, нет и силы, вызывающей расширение.
В чем же дело? Почему Вселенная начала расширяться? На этот вопрос сегодня нет общепринятого ответа.
Очень трудно говорить о тех временах, когда вся видимая сегодня Вселенная была величиной с маковое зернышко. Но предполагается, что она действительно миллиарды лет тому назад была именно таких размеров (и даже меньше) и действительно стала расширяться.
Сегодня космология еще не в состоянии ответить на ряд принципиальных вопросов. Среди них основные: что было до начала наблюдаемого расширения? Будет ли Вселенная вечно расширяться или опять сожмется в точку (как говорят физики, образуется ли снова сингулярность -- состояние вещества с бесконечной плотностью) ? Мы надеемся, что ответы на эти вопросы будут получены в близком будущем.
Но отсутствие ответов сейчас, сегодня, не мешает физикам рассматривать самые ранние стадии расширения Вселенной. Некоторые теории оперируют с временами 10-35 секунды от начала. Это, по выражению академика Я. Зельдовича, "очень-очень ранняя Вселенная". Есть теории, которые "заглядывают" в еще более ранние моменты времени. Термин "Большой Взрыв" сейчас общепринят, и мы его будем использовать. Тем более что скорости процессов, происходящих при "рождении" нашего Мира, в неизмеримое число раз превышают скорости любых известных сегодня взрывных процессов. Поэтому-то расширение Вселенной действительно можно уподобить "сверхвзрыву", Большому Взрыву.
Почему для нас так важны начальные этапы развития Вселенной, почему космологи пытаются проанализировать самые ранние моменты, заглянуть как можно глубже в прошлое нашего мира? Да потому, что никакая космологическая модель, никакая теория невозможна без достаточно полного понимания начальных этапов развития Вселенной -- ведь именно тогда закладывалось ее будущее, все последующие стадии ее формирования. И эти стадии нельзя понять, не зная, какой была ранняя, горячая Вселенная. Чтобы представить себе развитие Вселенной, следует прежде всего постараться понять, что представляло собой вещество Вселенной, материя на разных этапах ее существования.
Важность постановки такой задачи очевидна. Ведь решения уравнений ОТО, полученные Фридманом, говорят о том, что Вселенная расширяется из точки, из сингулярности. Но решения эти, с другой стороны, ничего не говорят о состоянии и поведении вещества вблизи сингулярности, а для нас сейчас, когда мы начинаем рассматривать ранние стадии Вселенной, именно это и является самым главным.
До сих пор мы говорили лишь об ОТО, которая описывает процессы расширения и сжатия мира. Но совершенно ясно, что сейчас для рассказа о поведении вещества мы должны обратиться к другим физическим теориям.
Вопросы, рассматриваемые нами, исключительно сложны, а очень многие их аспекты еще ждут своего решения: Но именно эти задачи и являются на сегодня наиболее "горячими точками" современной физики и космологии. Какими же теоретическими "инструментами" пользуются современные ученые?
Самая красивая из физических теорий -- ОТО представляет собой типичный пример классической теории. Что это значит? В уравнения ОТО не вводится никаких новых фундаментальных физических постоянных. В них присутствуют лишь скорость света и гравитационная постоянная Ньютона.
Другим примером классической теории является электродинамика, созданная более ста лет назад Д. Максвеллом. Всего 80 лет назад большинство физиков свято верило, что в природе существует лишь два вида фундаментальных взаимодействий -- гравитация и электромагнетизм. Они имеют неограниченный радиус действия и могут быть не только измерены с помощью приборов, но хорошо известны "в быту": если, например, кирпич упадет на голову, можно не сомневаться в том, что вы на практике столкнулись с гравитацией. Электромагнитные взаимодействия также хорошо знакомы каждому человеку, поскольку самые разнообразные физические, химические, биологические явления зависят от электромагнетизма.
Однако более 80 лет назад из микромира поступили тревожные сигналы о том, что классическая физика не в состоянии описать явления, происходящие в масштабах отдельных атомов. Хорошо известно, что согласно классической теории электромагнетизма электрон в атоме должен "упасть" в конце концов на атомное ядро из-за непрерывного излучения энергии. С этим и другими парадоксами оказалась в состоянии справиться лишь квантовая теория поля.
Суть квантовой теории (а именно она вызывала неприятие у Эйнштейна) состоит в том, что, располагая даже максимальной информацией о физической системе, квантомеханический подход определяет лишь вероятность того или иного события в микромире и не предсказывает точного поведения системы.
"Бог в кости не играет",-- говорил Эйнштейн, отрицая вероятностный подход квантовой физики к описанию физических явлений. В течение последних лет своей жизни Эйнштейн пытался создать единую теорию поля, общую классическую теорию, классическую в том смысле, что физические явления в ней должны полностью описываться, если известны значения всех рассматриваемых физических переменных. Мы знаем, что на этом пути Эйнштейн потерпел неудачу. Однако вернемся к ОТО. Как уже говорилось о том, что эффекты ОТО наиболее заметно проявляются в сильных гравитационных полях. Так почему же мы заговорили о границах ее применимости? "Узкое место" здесь -- сингулярность, начало расширения Вселенной.
Совершенно ясно, что если считать сингулярность точкой, математической абстракцией, то нечего вообще говорить ни о каких физических законах в этой точке. Но дело в том, что Вселенная материальна; грубо говоря, мы знаем, что она имеет вес. Именно поэтому реальное вещество, материя всегда будет занимать какой-то конечный, отличный от нуля объем.
Поскольку поведение Вселенной во времени описывается уравнениями ОТО, то вопрос о границах применимости этих уравнений на ранних стадиях Вселенной в условиях экстремально малых размеров и экстремально больших плотностей вполне правомочен. Пространство -- время чудовищно искривлены, и, поскольку мы стремимся к сингулярности, речь идет уже не о маковом зернышке, а о гораздо меньших объемах. Не могут ли здесь играть роль квантовые эффекты?
Когда теоретики начали исследовать этот вопрос, то оказалось, что "ответ" на него был дан в конце прошлого века, то есть когда ОТО еще не была создана. "Ответ" был дан М. Планком, одним из творцов квантовой физики. Планк ввел свою знаменитую постоянную h в теорию излучения в 1899 году и тогда же, добавив к ней скорость света с и постоянную тяготения G, показал, что из этих констант можно составить величины любой размерности, например плотность, длину.
Очень интересно отношение самого Планка к этим постоянным. Он, как, впрочем, и любой другой великий физик, считал, что цель физики -- объяснение устройства мира. Планк глубоко верил, что наука не должна нести в себе отголоски индивидуального мышления, физические законы должны быть абсолютны во всей Вселенной.
Глубокие идеи Планка не потеряли своего значения и сегодня, спустя более 80 лет. Планковские константы сегодня считаются предельными в физике величинами. Именно на планковской длине перестает "работать" ОТО. На этом масштабе плотность вещества чудовищна. Она неизмеримо превышает плотность атомного ядра. Эти величины очень трудно представить себе наглядно. Действительно, ядерная плотность равна примерно 1014 г/см3. Другими словами, один кубический сантиметр атомных ядер весил бы сто миллионов тонн. А планковская плотность вещества превышает ядерную на 80 порядков! Единица с 80 нулями!
И здесь в сверхсильных гравитационных полях начинают возникать квантовые эффекты. Отметим, что когда речь идет о квантовых эффектах в условиях сильной гравитации, то, быть может, сами понятия "пространство" и "время" теряют привычный для них смысл. Как хорошо сказано в книге Я. Зельдовича и И. Новикова "Строение и эволюция Вселенной": "Насколько легко найти область, где важны квантовые явления, настолько же трудно выяснить, что происходит в этой области. Здесь становится трудно даже сформулировать проблему".
Действительно, задача о ранней, "планковской". Вселенной исключительно сложна. Мы просто не знаем, как ведет себя вещество, что оно собой представляет в этих бесконечно малых масштабах длин, сочетающихся с бесконечно большими плотностями и температурами.
Экспериментаторы "добрались" пока до длин порядка лишь 10-16 см. Это мир элементарных частиц, сверхвысоких энергий, и именно поэтому физика ранней Вселенной теснейшим образом смыкается с физикой микрокосмоса. К сожалению, как сказал лауреат Нобелевской премии по физике С. Вайнберг, "незнание микроскопической физики стоит как пелена, застилающая взор при взгляде на самое начало".
Космология оперирует с еще меньшими расстояниями и большими энергиями, чем те, что привычны для физики элементарных частиц. Ведь рассматривая самые ранние этапы, мы неизбежно приходим к какому-то моменту времени (порядка планковского), когда классическая ОТО неприменима. Здесь предстоит еще огромная работа.
Похожие статьи
-
Большой взрыв - Теории происхождения Вселенной
О Большом Взрыве ежегодно публикуется огромное число статей и в научной и в научно-популярной печати. Но самое-то интересное заключается в том, что...
-
Сегодня космология еще не в состоянии ответить на ряд принципиальных вопросов. Среди них основные: что было до начала наблюдаемого расширения? Будет ли...
-
Новые подходы - Эволюция и происхождение Вселенной
Итак, самое начало рождения, планковское время 10-43 секунды. Плотность вещества 1094 г/см3. Температура 1032 К. В этом случае более удобно (и понятно)...
-
Теория Большого взрыва "Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем...
-
А был ли Большой Взрыв? - Открытие взрывающейся Вселенной
Космология вселенная галактика Ученых давно волновал вопрос о существовании модели Вселенной без начала, модели, в которой Вселенная бесконечна стара....
-
Современная наука о происхождении Вселенной - Гипотеза происхождения Вселенной
На нынешней стадии развития физической космологии на передний план выдвинулась задача создания тепловой истории Вселенной, в особенности сценария...
-
Новые подходы - Теории происхождения Вселенной
Итак, самое начало рождения, планковское время 10-43 секунды. Плотность вещества 1094 г/см3. Температура 1032 К. В этом случае более удобно (и понятно)...
-
Изобилие легких элементов - Концепция большого взрыва. Механизм образования и эволюции звезд
Ранняя Вселенная была очень горячей. Даже если протоны и нейтроны при столкновении объединялись и формировали более тяжелые ядра, время их существования...
-
Инфляционная Вселенная - Большой взрыв
Помимо вопроса о происхождении Вселенной современные космологи сталкиваются с рядом других проблем. Чтобы стандартная теория большого взрыва могла...
-
Остановимся подробнее на этапах развития Вселенной, попытаемся восстановить, опираясь на последние достижения современной физики, последовательность...
-
Дальнейшее развитие Вселенной и ее исследование - Теория Большого Взрыва
Теория большой взрыв вселенная Наша Вселенная постоянно эволюционирует, изменяется. Что же будет с нею в дальнейшем обозримом будущем? Учитывая что наша...
-
Заключение - Гипотеза происхождения Вселенной
Хотя сейчас физики и астрономы практически не сомневаются в правильности теории Большого взрыва, и в ее пользу говорит целый ряд научных фактов, расчетов...
-
Эволюция Вселенной, Будущее расширяющейся Вселенной - Теории происхождения Вселенной
Будущее расширяющейся Вселенной Даже если Вселенная начала расширяться в момент Большого взрыва, не означает, что ее расширение будет длиться вечно. По...
-
Будущее Вселенной - Эволюция и происхождение Вселенной
В космологии есть еще один вопрос, на котором нельзя не остановиться,-- будущее нашего мира. Ясно, что проблема эта, кроме всего прочего, имеет глубокий...
-
Неортодоксальные взгляды - Эволюция и происхождение Вселенной
В заключение стоит вкратце остановиться на так называемых неортодоксальных точках зрения на эволюцию и происхождение нашего мира. Неортодоксальные...
-
Введение, Основные концепции космологии - Эволюция Вселенной
Человек с давних пор интересовался устройством Вселенной. Звезды притягивали к себе наших предков, заставляли смотреть на них с удивлением и трепетом....
-
Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был равен 10-12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а...
-
Первые секунды после Большого взрыва После загадочной космологической сингулярности следует не менее таинственная планковская эра (0 -10 -43 С). Трудно...
-
Теория стационарной Вселенной, Ненаучные концепции. Креационизм - Теории происхождения Вселенной
Кроме теории расширяющейся Вселенной существует теория, что Вселенная стационарна, то есть не эволюционирует и не имеет ни начала, ни конца во времени....
-
Модель Большого взрыва - Космологические модели Вселенной
Теория Большого Взрыва (Big Bang) смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с космологией. В основе этой теории лежит...
-
Вопрос о происхождении Вселенной со всеми ее известными и пока неведомыми свойствами испокон веков волнует человека. Но только в ХХ веке, после...
-
ВСЕЛЕННАЯ. ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ - Астрономическая картина мира
Современная космология - это сложная, комплексная и быстро развивающаяся система естественно-научных (астрономия, физика, химия и др.) и философских...
-
Откуда появилась Вселенная? - Большой взрыв
Проблема сингулярности является лишь частью более общей проблемы, проблемы возникновения Вселенной (независимо от того, каким было ее начальное...
-
Проблематичная сингулярность - Большой взрыв
Как гласит теория большого взрыва, Вселенная возникла из точки с нулевым объемом и бесконечно высокой плотностью и температурой. Это состояние,...
-
Модель Большого Взрыва - Теория Большого Взрыва
Итак, одна из современных теорий - теория Большого Взрыва (Big Bang) смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с космологией. В...
-
Теория Большого взрыва была придумана для того, чтобы объяснить происхождение вселенной. Почему-то из знакомства с ней обычно выносят больше вопросов,...
-
Лептонная эра, Фотонная эра или эра излучения, Звездная эра - Эволюция Вселенной
Длилась примерно от t=0 соответствует моменту отсчета времени начала расширения и начала отсчета времени существования Метагалактики. t=10-4 до t=101. К...
-
Введение - Космологическая проблема: Большой взрыв и основные этапы физической истории Вселенной
Что произошло первым цыпленок или яйцо. Другими словами, какая сила создала вселенную. И что создало эту силу. Или возможно, вселенная, или сила, которая...
-
Большой Взрыв - Открытие взрывающейся Вселенной
Какой же была Вселенная в момент своего рождения? Этот вопрос имеет смысл, только если он относится к мгновению, следующему непосредственно за началом,...
-
Гипотеза большого взрыва - Основные характеристики Вселенной
Какой же была Вселенная в момент своего рождения? Этот вопрос имеет смысл, только если он относится к мгновению, следующему непосредственно за началом,...
-
Мир по Ньютону - Эволюция и происхождение Вселенной
В 1642 году умер великий Галилей. В этом же году 25 декабря (по старому стилю) километрах в десяти южнее городка Грэнтэм, в деревне Вульсторп, недалеко...
-
Образование Вселенной - Происхождение Вселенной
Конечна или бесконечна Вселенная, какая у нее геометрия - эти и многие другие вопросы связаны с эволюцией Вселенной, в частности с наблюдаемым...
-
Микрофизика - Эволюция и происхождение Вселенной
Согласно бурно развивающейся в последние годы кварковой теории все адроны состоят из "более" элементарных частиц -- кварков. Если эта теория верна (а она...
-
Модель Большого Взрыва - Расширяющаяся Вселенная и красное смещение
Модель эволюционной истории Вселенной, согласно которой она возникла в бесконечно плотном состоянии и с тех пор расширяется. Это событие произошло от 13...
-
Модель Большого Взрыва - Эволюция Вселенной
Итак, одна из современных теорий -- теория Большого Взрыва (Big Bang) смогла к настоящему времени объяснить почти все факты, связанные с космологией. В...
-
История Вселенной согласно стандартной модели Большого взрыва - Происхождение Вселенной
В нулевой момент времени Вселенная возникла из сингулярности. В течение первой миллионной доли секунды, когда температура значительно превышала 1012 К, а...
-
Образование вселенной - Вселенная: ее эволюция и строение
Современные астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что началом Вселенной, приблизительно десять миллиардов лет назад, был гигантский огненный...
-
Как быть с Галактиками? - Большой взрыв
Мы уже убедились, что все попытки космологов втиснуть Вселенную в узкие рамки своих материалистических представлений ни к чему не привели. Более того, их...
-
Квантовая физика и реальность - Большой взрыв
Все современные космологические теории также опираются на квантовую механику, которая описывает поведение атомных и субатомных частиц. Квантовая физика...
-
Теории эволюции Вселенной - Эволюция Вселенной
Существует несколько теории эволюции. Теория пульсирующей Вселенной утверждает, что наш мир произошел в результате гигантского взрыва. Но расширение...
Большой взрыв - Эволюция и происхождение Вселенной