Elite-Astronomy

 

║  На главную  ║  Астрономия

Вселенная

Гипотеза Сведенборга

  В 20-х гг. XVIII в. Эмануэль Сведенборг (1688-1772), шведский философ и физик, следуя Декарту, предложил гипотезу, согласно которой все структуры в природе образуются по одним и тем же принципам. Атомы и звёзды, например, образуются благодаря присущему материи вихревому движению. Атом, по мнению Сведенборга, - сложная система частиц, похожая на Солнечную систему. Он первым высказал мысль, что Млечный Путь - это реальная плоская система звёзд. Сведенборг, правда, не признавал тяготение Ньютона и считал, что звёзды удерживаются магнитными силами. Его гипотеза о природе Млечного Пути была ошибочной, но она оказалась первой динамической моделью этой звёздной системы.
 

Теория Канта

  Иммануил Кант первым поставил задачу мысленно проследить все возможные проявления всемирного тяготения во Вселенной, продумать и объяснить с этой точки зрения всё, что наблюдают астрономы, и понять, как устроена и развивается Вселенная. Так родились космогония и космология Нового времени.
    Кант обращает внимание на то, что лунно-солнечные приливы в океане должны систематически тормозить вращение Земли, а это значит, что во Вселенной, по Канту, существуют необратимые процессы, она становится иной, имеет свою историю. Он вернул в науку взгляд античных философов на Вселенную как на развивающуюся структуру.

   Главный астрономический труд Канта "Всеобщая естественная история и теория неба" (1755 г). Вселенная, по Канту, бесконечна. Она имеет иерархическую структуру: планеты и кометы составляют Солнечную систему; Солнце и звёзды входят в Млечный Путь; другие звёздные миры и Млечный Путь образуют ещё более крупную систему.
   Кант отметил, что со стороны кольцо Млечного Пути будет выглядеть как диск, а овальные и круглые туманности (вроде туманности Андромеды) он классифицировал как далёкие млечные пути (мы бы сказали, галактики). Он указал на дискообразность галактик как на результат их вращения и действия в них тяготения и провёл глубокую аналогию между Солнечной системой и системой Млечного Пути, одинаково управляемых тяготением. Его вывод звучал поразительно современно: подобно тому, как Солнечная система заключает в себе планетный диск и клубок кометных орбит, так и система звёзд (галактика) имеет два типа "населения" - звёзды диска, слитые в молочную полосу, и яркие звёзды сферической составляющей, рассеянные по всему небу.
   Кант полагал, что в начальном состоянии Вселенная была заполнена разреженной материей. Между частицами материи действуют силы ньютоновского тяготения, приводящие их в вихревое движение. В вихрях частицы отталкиваются силами химической природы. Материя сотворена Богом, и она должна быть структурно "так богата, так совершенна, что развитие всей её сложности может разворачиваться по плану, который заключает в себе всё, что только может быть, и который бесконечен и недоступен никакому измерению".
   Формирование звёздных и планетных систем Вселенной началось, когда благодаря химическим силам создались начальные уплотнения в первичной материи. Дальше Кант рассматривал возникновение и развитие различных систем небесных тел только на примере Солнечной системы.
   Постепенно под действием тяготения масса центрального сгустка растёт. Сгусток становится зародышем Солнечной системы. Вращающаяся туманность постепенно уплотняется и разбивается на центральную часть - будущее Солнце  и на кольца - будущие планеты. Молодое Солнце сжимается тяготением и превращается в источник энергии. Кольца состоят из холодных тел типа метеоритов. Эволюция каждого кольца определяется взаимным тяготением камней, тяготением Солнца и действием солнечного излучения.

Гипотеза Ламберта

   Во второй половине XVIII столетия в Германии работал физик и астроном Иоганн Генрих Ламберт (1728-1777). Он заложил основы фотометрии; доказал, что яркость поверхности, идеально рассеивающей свет, не зависит от направления; определил ослабление света в земной атмосфере, сравнив блеск Солнца и звёзд; оценил расстояние до Сириуса в 8 световых лет (современное значение 8,7 светового года); рассчитал орбиты некоторых комет. Свои представления о строении Вселенной Ламберт изложил в "Космологических письмах об устройстве Мироздания" (1761 г.). Вселенная у него, как и у Канта, имеет иерархическое строение: планеты со спутниками, звёзды с планетами. Млечный Путь как звёздная система. Системы, подобные Млечному Пути, из-за удалённости видны как туманности. В Млечном Пути Ламберт выделил звёздные сгущения (прообраз звёздных скоплений). У каждой системы есть центр тяготения и вращения. Он полагал, что Млечный Путь неустойчив и должен изменяться.
   Ламберт предсказал существование двойных и кратных звёзд (и ввёл эти понятия). Он обратил внимание на то, что по возмущениям в движении небесного тела можно обнаружить другое массивное невидимое тело. Такие тела могли находиться в центрах тяготения систем или даже всей иерархической Вселенной.

Закон Хаббла

  Хаббл пришел к базовому выводу о структуре Вселенной: она состоит из набора огромных звездных скоплений — галактик. Они  представляются нам в небе далекими туманными «облаками», поскольку отдельных звезд на столь огромном удалении мы рассмотреть попросту не можем.
  Хаббл подметил еще один важный аспект: наблюдаемая длина спектральных световых волн, излучаемых атомами удаленных галактик, несколько ниже длины спектральных волн, излучаемых теми же атомами в условиях земных лабораторий. То есть в спектре излучения соседних галактик квант света, излучаемый атомом при скачке электрона с орбиты на орбиту, смещен по частоте в направлении красной части спектра по сравнению с аналогичным квантом, испущенным таким же атомом на Земле. Хаббл взял на себя смелость интерпретировать это наблюдение как проявление эффекта Доплера, а это означает, что все наблюдаемые соседние галактики удаляются от Земли, поскольку у практически всех галактических объектов за пределами Млечного Пути наблюдается именно красное спектральное смещение, пропорциональное скорости их удаления.
   И Хаббл выяснил, что чем дальше от нас находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется. Это самое явление центростремительного «разбегания» видимой Вселенной с нарастающей скоростью по мере удаления от локальной точки наблюдения и получило название закона Хаббла. Математически он формулируется очень просто:
v = Hr;
где v — скорость удаления галактики от нас, r — расстояние до нее, а H — так называемая постоянная Хаббла.
    Последняя определяется экспериментально, и на сегодняшний день оценивается как равная примерно 70 км/(с·Мпк) (километров в секунду на мегапарсек; 1 Мпк приблизительно равен 3,3 миллионам световых лет). Итак, главное следствие закона Хаббла: Вселенная расширяется! Так и галактики разбегаются по одной простой причине: расширяется сама ткань мирового пространства.
   Однако закон Хаббла подсказывает нам и еще кое-что о природе Вселенной - у Вселенной было начало во времени,  всё вещество мироздания было сжато в плотный комок протоматерии, заключенный в совсем небольшом в сопоставлении с нынешними масштабами Вселенной объеме. Представление о Вселенной, родившейся из сверхплотного сгустка сверхгорячего вещества и с тех пор расширяющейся и остывающей, получило название теории Большого взрыва.
    Закон Хаббла, кстати, помогает также оценить возраст Вселенной (конечно, весьма упрощенно и приблизительно). Предположим, что все галактики с самого начала удалялись от нас с той же скоростью v, которую мы наблюдаем сегодня. Пусть t - время, прошедшее с начала их разлета. Это и будет возраст Вселенной, и определяется он соотношениями:

v x t = r, или t = r/V; Но ведь из закона Хаббла следует, что    r/v = 1/H;

где Н - постоянная Хаббла. Значит, измерив скорости удаления внешних галактик и экспериментально определив Н, мы тем самым получаем и оценку времени, в течение которого галактики разбегаются. Это и есть предполагаемое время существования Вселенной. По самым последним оценкам, возраст нашей Вселенной составляет около 15 миллиардов лет, плюс-минус несколько миллиардов лет.

Концепция большого взрыва

  Концепция большого взрыва появилась с открытием в 1920-е годы закона Хаббла. Этот закон описывает простой формулой результаты наблюдений, согласно которым видимая Вселенная расширяется и галактики удаляются друг от друга. Нетрудно, следовательно, мысленно «прокрутить пленку назад» и представить, что в исходный момент, миллиарды лет назад, Вселенная пребывала в сверхплотном состоянии. Такая картина динамики развития Вселенной подтверждается двумя важными фактами.
     В 1964 году американские физики Арно Пензиас и Роберт Уилсон обнаружили, что Вселенная наполнена электромагнитным излучением в микроволновом диапазоне частот. Последовавшие измерения показали, что это характерное классическое излучение черного тела, свойственное объектам с температурой около —270°С (3 К), т. е. всего на три градуса выше абсолютного нуля. Её фоновое излучение оказалось в диапазоне микроволновых радиочастот. Исторически это открытие и предопределило выбор в пользу космологической теории Большого взрыва.
    Ранняя Вселенная была очень горячей. С момента Большого взрыва должно было пройти около трех минут, прежде чем Вселенная остыла настолько, чтобы энергия соударений несколько смягчилась и элементарные частицы начали образовывать устойчивые ядра. В истории ранней Вселенной это ознаменовало открытие окна возможностей для образования ядер легких элементов. Все ядра, образовывавшиеся в первые три минуты, неизбежно распадались; в дальнейшем начали появляться устойчивые ядра.
    Однако это первичное образование ядер (т. н. нуклеосинтез) на ранней стадии расширения Вселенной продолжался очень недолго. Вскоре после первых трех минут частицы разлетелись так далеко друг от друга, что столкновения между ними стали крайне редкими, и это ознаменовало закрытие окна синтеза ядер. В этот краткий период первичного нуклеосинтеза в результате соударений протонов и нейтронов образовались дейтерий (тяжелый изотоп водорода с одним протоном и одним нейтроном в ядре), гелий-3 (два протона и нейтрон), гелий-4 (два протона и два нейтрона) и, в незначительном количестве, литий-7 (три протона и четыре нейтрона). Все более тяжелые элементы образуются позже — при формировании звезд.
   Теория Большого взрыва позволяет определить температуру ранней Вселенной и частоту соударений частиц в ней. Как следствие, мы можем рассчитать соотношение числа различных ядер легких элементов на первичной стадии развития Вселенной. Сравнив эти прогнозы с реально наблюдаемым соотношением легких элементов (с поправкой на их образование в звездах), мы обнаруживаем впечатляющее соответствие между теорией и наблюдениями.

Теория стационарной Вселенной

  После открытия закона Хаббла большинство астрономов приняли теорию большого взрыва - концепцию, согласно которой Вселенная образовалась в прошлом из некоей точки. Однако в 1940-е годы группа астрофизиков под руководством Фреда Хойла предложила альтернативную теорию.
    Главная идея этой теории заключается в следующем: по мере того как галактики удаляются друг от друга при хаббловском расширении, в увеличивающемся пространстве между ними образуется новая материя. Вновь образованная материя со временем самоорганизуется в галактики, которые, в свою очередь, будут удаляться друг от друга, высвобождая пространство для образования новой материи. Таким образом, наблюдаемое расширение было согласовано с понятием «стационарной» Вселенной, сохраняющей свою общую плотность и не имеющей единственной точки образования (наличие которой предполагает теория большого взрыва). Но при этом требовалось принять без доказательств новую концепцию процесса образования вещества. 
   Некоторые астрономы поддерживали теорию стационарной Вселенной вплоть до середины 1960-х годов. Основным достоинством этой теории была ее философская сторона. Утверждалось, что теория согласуется с принципом Коперника о том, что наш мир не уникален, и не выделяет какой-то момент времени как главный.

Инфляционная стадия расширения Вселенной

  С 30-х годов XX века астрофизики уже знали, что, согласно закону Хаббла, Вселенная расширяется, а значит, она имела свое начало в определенный момент в прошлом. Задача астрофизиков, таким образом, внешне выглядела простой: отследить все стадии хаббловского расширения в обратной хронологии, применяя на каждой стадии соответствующие физические законы, и, пройдя этот путь до конца - точнее, до самого начала, - понять, как именно всё происходило.
    В конце 1970-х годов, однако, оставались нерешенными несколько фундаментальных проблем, связанных с ранней Вселенной, а именно:
    Проблема антивещества. Согласно законам физики, вещество и антивещество имеют равное право на существование во Вселенной, однако Вселенная практически полностью состоит из вещества. Почему так произошло?
    Проблема горизонта. По фоновому космическому излучению мы можем определить, что температура Вселенной везде примерно одинакова, однако отдельные ее части (скопления галактик) не могли находиться в контакте. Как же получилось, что между ними установилось тепловое равновесие?
    Проблема распрямления пространства. Вселенная, судя по всему, обладает именно той массой и энергией, которые необходимы для того, чтобы замедлить и остановить хаббловское расширение. Почему из всех возможных масс Вселенная имеет именно такую?
    Ключом к решению этих проблем послужила идея, что сразу после своего рождения Вселенная была очень плотной и очень горячей. Всё вещество в ней представляло собой раскаленную массу кварков и лептонов, у которых не было никакой возможности объединиться в атомы.   Действующим в современной Вселенной различным силам тогда соответствовало единое поле силового взаимодействия. Но когда Вселенная расширилась и остыла, гипотетическое единое поле распалось на несколько сил.
    В 1981 году американский физик Алан Гут осознал, что выделение сильных взаимодействий из единого поля, случившееся примерно через 10–35 секунды после рождения Вселенной, стало поворотным моментом в ее развитии. Произошел фазовый переход вещества из одного состояния в другое в масштабах Вселенной. Под влиянием выделившихся сильных взаимодействий произошла мгновенная перестройка, своеобразная «кристаллизация» вещества во Вселенной.
    Алану Гуту удалось показать, что при разделении сильных и слабых взаимодействий во Вселенной произошло скачкообразное расширение. Это расширение, которое называется инфляционным, во много раз быстрее обычного хаббловского расширения. Примерно за 10–32 секунды. Вселенная расширилась на 50 порядков — была меньше протона, а стала размером с грейпфрут. И это стремительное инфляционное расширение Вселенной снимает две из трех вышеназванных проблем, непосредственно объясняя их.
    Решение проблемы распрямления пространства нагляднее всего демонстрирует следующий пример: представьте координатную сетку, нарисованную на тонкой эластичной карте, которую затем смяли как попало. Если теперь взять и сильно встряхнуть эту смятую в комок эластичную карту, она снова примет плоский вид, а координатные линии на ней восстановятся, независимо от того, насколько сильно мы деформировали ее, когда скомкали. Аналогичным образом, не важно, насколько искривленным было пространство Вселенной на момент начала ее инфляционного расширения, главное — по завершении этого расширения пространство оказалось полностью распрямленным. А поскольку из теории относительности мы знаем, что кривизна пространства зависит от количества материи и энергии в нем, становится понятно, почему во Вселенной находится ровно столько материи, сколько необходимо, чтобы уравновесить хаббловское расширение.
    Объясняет инфляционная модель и проблему горизонта, хотя не так прямо. Из теории излучения черного тела мы знаем, что излучение, испускаемое телом, зависит от его температуры. Таким образом, по спектрам излучения удаленных участков Вселенной мы можем определить их температуру. Такие измерения дали ошеломляющие результаты: оказалось, что в любой наблюдаемой точке Вселенной температура (с погрешностью измерения до четырех знаков после запятой) одна и та же. Если исходить из модели обычного хаббловского расширения, то вещество сразу же после Большого взрыва должно было разлететься слишком далеко, чтобы температуры могли уравняться. Согласно же инфляционной модели, вещество Вселенной до момента t = 10–35 секунды оставалось гораздо более компактным, чем при хаббловском расширении. Этого чрезвычайно краткого периода было вполне достаточно, чтобы установилось термическое равновесие, которое не было нарушено на стадии инфляционного расширения и сохранилось до сих пор.
   Инфляционная гипотеза не снимает проблемы антивещества, но эту проблему можно объяснить, обратившись к другим процессам, происходившим в то же время. Обнаруживаются интересные вещи: при бурном образовании элементарных частиц в ранней Вселенной примерно на 100 000 001 обычных частиц пришлось 100 000 000 античастиц. В следующую долю секунды частицы и античастицы, объединившись в пары, аннигилировали друг друга с гигантским выбросом энергии — масса превратилась в излучение. После такой «прополки» во Вселенной остался лишь жалкий клочок обычной материи. Вот из этого «космического мусора» и состоит вся известная нам сегодня Вселенная.

Модели гиперболической и пульсирующей вселенной

  Теория Большого Взрыва согласуется с найденными учеными возрастами Земли, звезд и галактик, что для многих равносильно подтверждению правильности всей теории. В ее рамках мыслима также возможность существования пульсирующей, или мерцающей Вселенной с концентрацией вещества, эквивалентной серии больших взрывов.
   Американский астроном Аллан Рекс Сендейдж, сторонник пульсирующей Вселенной, считает, что большие взрывы происходят каждые 82 миллиарда лет, то есть Вселенная пульсирует с циклом, примерно равным этому времени. Другими словами, ее расширение после Большого Взрыва постепенно затухает, и по истечении 41 миллиарда лет она на мгновение замирает, затем начинает сжиматься и сжимается еще 41 миллиард лет, пока не превратится вновь в илем, и тогда происходит следующий Большой Взрыв и весь процесс повторяется снова. Такая Вселенная по-настоящему вечна, поскольку катастрофические изменения в ней носят периодический характер. У нее нет ни четкого начала, ни определенного конца, ни необратимого перехода из одного состояния в другое, с совершенно отличной космической структурой. По мнению Сендейджа, в настоящее время мы проникли в фазу расширения примерно на 10- 20 миллиардов лет, что, собственно говоря, и составляет приблизительный "возраст" Вселенной. Эта величина согласуется со всеми возрастами, которые можно измерить непосредственно или с помощью теории Большого Взрыва и ее разновидностей.
   К одной из таких разновидностей относится модель гиперболической Вселенной. Она выросла из предпосылки, что эволюция Вселенной началась не с Большого Взрыва, а с космического процесса, диаметрально противоположного оному. То есть сначала Вселенная была чем-то вроде "пустого пространства", а вернее - состояла из чрезвычайно разреженного газа, испытывавшего воздействие своего собственного очень слабого поля тяготения. На протяжении многих миллиардов лет эта субстанция концентрировалась, а Вселенная - сжималась. По мере увеличения плотности газа его поле тяготения увеличивалось, что по истечении еще многих миллиардов лет привело к тому, что сжатие Вселенной стало убыстряться и постепенно нагревать космическое пространство, тем самым создавая все более высокие температуры в сжимавшемся веществе. Однако непрерывно растущая температура способствовала тому, что сжатие постепенно замедлялось. И все-таки оно смогло достичь той температуры, которая уравновешивала тяготение, после чего инерция вещества заставила его концентрироваться и дальше. В конце концов вещество Вселенной сжалось до предела, то есть до состояния илема, а затем центробежное воздействие излучения и температуры все же взяло верх, и вещество стало выталкиваться наружу. Его скорость нарастала, пока этот процесс не завершился Большим Взрывом. Затем последовала фаза расширения, и эта фаза должна продолжаться до тех пор, пока Вселенная вновь не вернется к состоянию пустоты.
   Таким образом, в гиперболической Вселенной илем - это не "первоначальное состояние", а преходящий объект, помещенный в центр вечности. Из этого можно сделать вывод, что Вселенная в такой космологической модели и существовать должна тоже вечно. Однако подлинно вечной ее назвать нельзя, как было бы в том случае, если бы она существовала в неизменной форме или, по крайней мере, даже испытывая какие-то цикличные изменения, в среднем оставалась бы неизменной. Гиперболическая Вселенная изменения претерпевает, причем изменения эти носят характер постоянный и необратимый. И действительно, она начинается с состояния практической пустоты, заполненной разреженным газом, а затем, минуя фазы сжатия, Большого Взрыва и расширения, вновь возвращается к состоянию пустоты. Но завершающая пустота совсем иная, чем первоначальная. Эта пустота заполнена отнюдь не разреженным газом, а в основном бесчисленными белыми карликами, представляющими собой конечную стадию эволюции звезд. Значит, в гиперболической Вселенной есть и четкое начало, и не менее четкий конец. А в тот краткий период ее существования, когда она стала отличаться от вечной пустоты, мы и существуем. К модели гиперболической Вселенной космологи пришли, изначально признавая существование илема.

   Cуществует альтернативная версия. Суть альтернативная версия  заключается в следующем. Предполагается, что сначала, как и в гиперболической модели, Вселенная состояла из очень разреженного газа, который был равномерно распределен по очень большому объему. Эта огромная масса газа под действием сил тяготения начала постепенно стягиваться к центру. Одновременно с увеличением ее плотности происходила местная концентрация вещества, которая привела к образованию галактик. Появление галактик также связано с силами тяготения. Однако состояния илема (1/70000 светового года) это гигантское облако так и не достигло. Последнее утверждение идет уже вразрез с гиперболической моделью, где предполагается, что все частицы газа одновременно приблизились к центру. По мнению сторонников альтернативной версии, такого в действительности быть не могло. Во-первых, потому, что в реальном мире, который не является математически идеальным, вряд ли масса вещества внутри сжимающегося объема была распределена однородно. Во-вторых, сам этот объем наверняка не был идеальной сферой. Ну и, кроме всего прочего, движение вещества во время сжатия должно было подвергнуться возмущениям. По этой причине не вся масса газа двигалась к центру по прямой и наверняка установилось турбулентное движение. Следовательно, гигантское облако не могло стянуться в илем. Его минимальные размеры достигали не менее одного миллиарда световых лет. Когда же оно сократилось до этих размеров (причем к тому времени, примерно 10 миллиардов лет назад, значительная часть вещества уже успела сконденсироваться в галактики), отдельные его части прошли мимо друг друга на довольно больших расстояниях, исчисляемых миллионами световых лет, и затем снова стали разлетаться.
     Галактики двигались через центр к периферии по траекториям, напоминающим гиперболы. Правда, вероятность того, что некоторые из них могли сталкиваться, особенно тогда, когда размеры Вселенной достигли минимальных размеров, вовсе не исключается. И все же большинство прошло мимо центра и разлетелось, так и не столкнувшись. Таким образом, если сначала под действием гравитационных сил галактики приобрели скорость, направленную к центру, то затем, после прохождения оного, направление скорости в соответствии с законами небесной механики изменилось, и галактики стали двигаться от центра, что и наблюдается в настоящее время.

 

║  На главную  ║  Астрономия

 Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Хостинг от uCoz