Модель расширяющейся Вселенной - Происхождение Вселенной
Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916 году. В основе этой модели лежат два предположения:
- 1) свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направления (изотропность); 2) наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, -- релятивистская.
Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности:
- 1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями, равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; 2) экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.
Из принятия теории относительности вытекало в качестве следствия (первым это заметил петроградский физик и математик Александр Александрович Фридман в 1922 году), что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. На этот вывод не было обращено внимания вплоть до открытия американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого "красного смещения".
Красное смещение -- это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит "покраснение", т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.
Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики -- видимой части Вселенной.
Красное смещение надежно подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении по меньшей мере нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.
Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом Взрыве, происшедшем где-то примерно 12 --18 млрд. лет назад. "Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы" (Вейнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. - М., 1981. - С. 30).
Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 году реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной.
Возникает интересный вопрос: из чего же образовалась Вселенная? Чем было то, из чего она возникла. В Библии утверждается, что Бог создал все из ничего. Зная, что в классической науке сформулированы законы сохранения материи и энергии, религиозные философы спорили о том, что значит библейское "ничего", и некоторые в угоду науке полагали, что под ничем имеется в виду первоначальный материальный хаос, упорядоченный Богом.
Как это ни удивительно, современная наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что все могло создаться из ничего. "Ничего" в научной терминологии называется вакуумом. Вакуум, который физика XIX века считала пустотой, по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях "рождать" вещественные частицы.
Современная квантовая механика допускает (это не противоречит теории), что вакуум может приходить в "возбужденное состояние", вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) -- вещество.
Рождение Вселенной "из ничего" означает с современной научной точки зрения ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация. Если число фотонов равно нулю, то напряженность поля не имеет определенного значения (по "принципу неопределенности" Гейзенберга): поле постоянно испытывает флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряженности равно нулю.
Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям, вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.
Итак, Вселенная могла образоваться из "ничего", т. е. из "возбужденного вакуума". Такая гипотеза, конечно, не является решающим подтверждением существования Бога. Ведь все это могло произойти в соответствии с законами физики естественным путем без вмешательства извне каких-либо идеальных сущностей. И в этом случае научные гипотезы не подтверждают и не опровергают религиозные догмы, которые лежат по ту сторону эмпирически подтверждаемого и опровергаемого естествознания.
На этом удивительное в современной физике не кончается. Отвечая на просьбу журналиста изложить суть теории относительности в одной фразе, Эйнштейн сказал: "Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы; теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время". Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.
Отметим, что теория относительности соответствует двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства-времени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна положительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относительности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной.
Досужий ум неизбежно задается вопросами: что же было тогда, когда не было ничего, и что находится за пределами расширения. Первый вопрос, очевидно, противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Астроном может сказать, что как ученый он не вправе отвечать на такие вопросы. Но поскольку они все же возникают, формулируются и возможные обоснования ответов, которые являются не столько научными, сколько натурфилософскими.
Так, проводится различие между терминами "бесконечный" и "безграничный". Примером бесконечности, которая не безгранична, служит поверхность Земли: мы можем идти по ней бесконечно долго, но тем не менее она ограничена атмосферой сверху и земной корой снизу. Вселенная также может быть бесконечной, но ограниченной. С другой стороны, известна точка зрения, в соответствии с которой в материальном мире не может быть ничего бесконечного, потому что он развивается в виде конечных систем с петлями обратной связи, которыми эти системы создаются в процессе преобразования среды.
Но оставим эти соображения области натурфилософии, потому что в естествознании в конечном счете критерием истины являются не абстрактные соображения, а эмпирическая проверка гипотез.
Что же было после Большого Взрыва? Образовался сгусток плазмы -- состояния, в котором находятся элементарные частицы -- нечто среднее между твердым и жидким состоянием, который и начал расширяться все больше и больше под действием взрывной волны. Через 0,01 сек после начала Большого Взрыва во Вселенной появилась смесь легких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия).
Похожие статьи
-
Модель расширяющейся Вселенной - Сущность Галактики
В основе расширяющейся модели заключены два предположения: более полное описание гравитационного поля является уравнение Эйнштейна. Т. е. можно...
-
Модель расширяющейся Вселенной - Эволюция Вселенной
Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей...
-
Теория Большого взрыва "Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем...
-
Модель раздувающейся Вселенной - Эволюция Вселенной
Частично эти вопросы снимает еще одна современная модель -- сценарий раздувающейся Вселенной (РВ). Раздувание идет экспоненциально, со скоростью,...
-
Модель расширяющейся Вселенной - Космологические модели Вселенной
Итак, вернемся к Эйнштейну, из расчетов которого следовало, что наш мир является четырехмерной сферой. Объем такой Вселенной может быть выражен хотя и...
-
Согласно этой теории, ранняя Вселенная напоминала гигантский ускоритель "элементарных" частиц. Слово "элементарных" взято в кавычки, так как наши...
-
Модель расширяющейся Вселенной - Расширяющаяся Вселенная
Если в ясную безлунную ночь посмотреть на небо, то, скорее всего, самыми яркими объектами, которые вы увидите, будут планеты Венера, Марс, Юпитер и...
-
Рождение и гибель Вселенной - Расширяющаяся Вселенная
В общей теории относительности Эйнштейна, самой по себе, делается вывод, что пространство-время возникло в сингулярной точке большого взрыва, а свой...
-
Статическая модель Эйнштейна - Релятивистская космология: прошлое и будущее нашей Вселенной
Когда Эйнштейн сформулировал Теорию Относительности, чтобы проверить теорию Ньютона его собственной Специальной Теорией Относительности, он добавил так...
-
Инфляционная модель Вселенной - Космологические модели Вселенной
Долгое время ничего нельзя было сказать о причинах Большого взрыва, переходе к расширению Вселенной. Но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся...
-
Модели будущего вселенной - Эволюция Вселенной
Каково же будущее Вселенной? Многие выдающиеся ученые ХХ века неоднократно задавались этим вопросом. В 1917г. А. Эйнштейн выступил с гипотезой о...
-
Современные космологические модели Вселенной - Эволюция Вселенной
В классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как...
-
Горячая модель Вселенной - Эволюция вещества во Вселенной
Фундаментальное взаимодействие модель горячая вселенная Модель горячей Вселенной -- космологическая модель, в которой эволюция Вселенной начинается с...
-
Неортодоксальные взгляды - Теории происхождения Вселенной
В заключение стоит вкратце остановиться на так называемых неортодоксальных точках зрения на эволюцию и происхождение нашего мира. Неортодоксальные...
-
Большой Взрыв: продолжение - Происхождение Вселенной. Теория Большого взрыва
Итак, мы выяснили, что Вселенная постоянно расширяется; тот момент, с которого Вселенная начала расширяться, принято считать ее началом; тогда началась...
-
Вселенная бесконечна во времени и пространстве. Каждая частичка вселенной имеет свое начало и конец, как во времени, так и в пространстве, но вся...
-
Неортодоксальные взгляды - Эволюция и происхождение Вселенной
В заключение стоит вкратце остановиться на так называемых неортодоксальных точках зрения на эволюцию и происхождение нашего мира. Неортодоксальные...
-
Заключение - Космологические модели Вселенной
Все, что здесь до сих пор было сказано, - это только гипотезы, основанные на некоторых реальных фактах. Однако, те же самые факты можно трактовать и...
-
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...
-
Эдвин Хаббл и его исследования - Расширяющаяся Вселенная и красное смещение
Современная картина Вселенной возникла только в 1924 г., когда американский астроном Эдвин Хаббл показал, что наша Галактика не единственная. Для...
-
Заключение - Теория происхождения Вселенной
В заключении сделаем краткие выводы. Вселенная возникла около 13 миллиардов лет назад в виде раскаленного сгустка сверхплотной материи. "Большой Взрыв" -...
-
Модели Вселенной, Классическая космологическая модель - Космологические модели Вселенной
Классическая космологическая модель Успехи космологии и космогонии XVIII--XIX вв. завершились созданием классической полицентрической картины мира,...
-
Эффект Доплера - Космологические модели Вселенной
Так как современная космология возникла после ОТО ее называют релятивистской. Эмпирической базой для нее послужили открытия внегалактической астрономии,...
-
Мегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию...
-
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...
-
Расширяющаяся вселенная - Теории происхождения Вселенной
Заглянуть глубже в тайны мироздания, чем это сделал Ньютон, долгое время казалось невозможным. Лишь в начале нашего века в 1915 году появилась работа А....
-
ГИПОТЕЗА ПРОИСХОЖДЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ - Вселенная и ее происхождение
Все концепции возникновения вселенной условно можно разделить на две: - Концепции возникновения вселенной Без участия осознающего фактора (Творца,...
-
Современная модель Вселенной - Основные характеристики Вселенной
Современная наука, рассматривая дальнейшую судьбу Вселенной, останавливается на двух вариантах - открытой и замкнутой Вселенной. Если предположить, что...
-
Заключение. - Происхождение Вселенной. Теория Большого взрыва
Хотя в пользу теории "Большого взрыва" говорят, как это было уже упомянуто выше: реликтовое излучение; закон Хаббла, основанный на эффекте Доплера;...
-
Фотонная эра или эра излучения, Звездная эра - Происхождение Вселенной. Теория Большого взрыва
На смену лептонной эры пришла эра излучения. Со времени адронной и лептонной эры Вселенная была заполнена фотонами. К концу лептонной эры фотонов было в...
-
Бесконечно пульсирующая Вселенная - Теории происхождения Вселенной
Один из главных вопросов, который интересует ученых, связан с состоянием Вселенной, предшествующих началу Большого взрыва. Ведь не мог весь известный нам...
-
Эволюция вещества - Модель Большого Взрыва и хронология Вселенной
Температура раскаленной плотной материи на начальном этапе Вселенной со временем понижалась, что и отражается в соотношении. Это значит, что понижалась...
-
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...
-
Релятивистская модель Вселенной - Космологические модели Вселенной
Понятие релятивистской космологии. Поскольку именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях, а значит, динамику космической...
-
Теории ХХ века о происхождении Вселенной - Гипотеза происхождения Вселенной
Следующий этап в развитии космологии относится к ХХ веку, когда советский ученый А. А. Фридман (1888-1925) математически доказал идею саморазвивающейся...
-
Большой взрыв - Теория происхождения Вселенной
Большой взрыв - это гипотетическое начало расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии (т. е. сверхплотном...
-
Нестационарная космология Фридмана - Космологические модели Вселенной
Фридмана как математика не удовлетворило полученное решение Эйнштейна, так как он получил одно из всех возможных решений системы уравнений тяготения,...
-
Введение - Расширяющаяся Вселенная и красное смещение
Одной из основных концепций современного естествознания является учение о Вселенной как едином целом и обо всей охваченной астрономическими наблюдениями...
-
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...
-
Введение - Теории происхождения Вселенной
В мире существует множество значений понятия Вселенная. Вселенную рассматривают как с философской точки зрения, так и с астрономической. В широком...
Модель расширяющейся Вселенной - Происхождение Вселенной