КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВСЕЛЕННОЙ
• • • Основные проблемы создания модели: Объект исследования космологии (Вселенная) уникален, поэтому ее нельзя изучать с помощью статистических методов. Длительные периоды эволюции рассматриваемых явлений не позволяют вести прямых наблюдений. Космология тесно связана с ОТО, т. к. для Вселенной характерны огромные расстояния, скорости и массы. В истории космологии разрабатывалось несколько моделей Вселенной:
• • • I. СТАЦИОНАРНАЯ МОДЕЛЬ (модель вечной бесконечной Вселенной) – существовала с древности до 20 века; очень долго формировалась (до 17 в. ). Вопрос об устройстве мира издавна интересовал людей. Версии – различные (Земля плоская и неподвижная и т. д. ). Научная астрономия зародилась в Древней Греции. Ее итог – геоцентрическая система К. Птолемея (2 в. н. э. - «Альмагест» в 13 томах) – в течение многих веков не подвергалась серьезному сомнению. В 16 в. Н. Коперник разработал гелиоцентрическую систему (не во всем правильна: за орбитами 5 планет – сфера неподвижных звезд - «мир в скорлупе» ). Д. Бруно - последователь Коперника – придерживался идеи о множественности миров и бесконечности Вселенной – считал звезды далекими Солнцами, вокруг которых тоже вращаются планеты, люди… Идеи Бруно намного опередили свое время, но доказать их он не смог. Г. Галилей – благодаря усовершенствованию телескопа рассмотрел космические объекты → вывод: они похожи на Землю (горы, кратеры на Луне…) → постепенный отказ от представления о Солнце как о центре Вселенной. И. Кеплер (современник Галилея, 17 в. ) - установил законы движения планет. И. Ньютон – доказал, что все тела во Вселенной независимо от размеров, состава и т. д. взаимно тяготеют друг к другу. Таким образом, Вселенная бесконечна в пространстве, но неизменна во времени, т. е. это система мира без начала и конца в пространственном и временном понимании, созданная Богом. Классическая модель не объясняла ряд противоречий.
Космологические парадоксы • • • 1. Фотометрический парадокс Шезо-Ольберса. В 1744 г. астроном Шезо высказал сомнение в бесконечности Вселенной: Если Вселенная бесконечна → в ней существует бесконечное множество звезд → все небо должно быть усеяно сверкающими точками, т. е. быть таким же ярким, как Солнце (такой же вывод независимо в 1823 г. сделал немецкий астроном Ольберс). Ученые пытались устранить этот парадокс, чтобы доказать бесконечность Вселенной: Звезды распределены неравномерно (но тогда в ночном небе наряду с местами, где мало звезд, должны быть бесконечно яркие пятна, чего на самом деле нет). Свет поглощается межзвездным газом и пылью (недавно открыли) → они частично поглощают свет → многие звёзды невидимы (в начале 20 в. доказано, что они сначала поглощают, а потом снова переизлучают свет). → сомнение в бесконечности Вселенной.
• • • 2. Гравитационный парадокс Зеелигера (конец 19 в. ) Если Вселенная бесконечна, то интенсивность ее гравитационного поля тоже должна быть бесконечной (→ все должно слипнуться), а этого на самом деле нет. → Вселенная ограничена, а количество небесных тел конечно. 3. Термодинамический парадокс – связан с открытием вывода из 2 з-на термодинамики: «При всех превращениях различные виды энергии в конечном итоге переходят в тепло, которое стремится к состоянию термодинамического равновесия, т. е. рассеивается в пространстве» . Т. к. этот процесс необратим – рано или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в природе прекратятся, и Вселенная превратится в мрачное замерзшее кладбище, т. е. наступит «тепловая смерть Вселенной» . В природе опровержения этому выводу пока не найдено → Вселенная когда-то имела начало и неизбежно будет иметь конец. Т. о. , космологические парадоксы заставили ученых усомниться в бесконечности и вечности Вселенной.
• II. МОДЕЛЬ ГОРЯЧЕЙ РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ • • В основе – космологическая модель Эйнштейна (на базе ОТО): Время существования Вселенной бесконечно. Пространство во вселенной безгранично, но конечно и искривлено. → отпали фотометрический и гравитационный парадоксы, но термодинамический остался. Н. Фридман (русский физик и математик), изучая ОТО, сделал вывод: Искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно либо расширяться, либо сужаться (Эйнштейн потом согласился). Э. Хаббл (американский астроном) в 1929 г. – экспериментально доказал расширение Вселенной. Для этого он использовал спектроскоп (прибор, позволяющий определить хим. состав в-в по спектрам, которые они испускают или поглощают). Он обнаружил, что ЭМ-излучение, приходящее от далеких галактик, смещено к красной части спектра – явление красного смещения. Но известно, что понижение частоты колебаний происходит при удалении источника света от наблюдателя (эффект Доплера) (аналогичное звуковое явление - сигнал приближающегося поезда пронзителен, а удаляющегося – менее резкий). • •
Красное смещение галактик – это явление, когда спектральные линии удаленных галактик смещаются к красному цвету. Обнаружили красное смещение галактик ученые Мильтон Хьюмейсон и Эдвин Хаббл в первой половине 1920 -х годов. Это открытие, вместе с осуществленными в 1928 году наблюдениями, помогло Хабблу сформулировать носящий его имя закон, отражающий зависимость скорости удаления галактики от расстояния до нее. Многие ученые считают, что красное смещение галактик – этоэффект Доплера, вызванный расширением Вселенной, другие, основываясь на собственных наблюдениях, утверждают, что причина этого явления пока не ясна. Другой тип красного смещения – гравитационное красное смещение, которое проявляется также в смещении спектра к красному цвету, но возникает оно по причине попадании света в сильное гравитационное поле, где свет теряет энергию, что приводит к покраснению за счет уменьшения частоты световых волн.
• • → Красное смещение доказывает, что галактики удаляются друг от друга ( «разбегание галактик» ), т. е. Вселенная расширяется. Хаббл также установил, что чем дальше источник света (галактика), тем > его красное смещение → галактики удаляются друг от друга со скоростью, которая возрастает с расстоянием (Закон Хаббла): V = НL, где: Н – постоянная Хаббла (~ 75 -80 км/с·Мпк – пока не установлена точно). L – расстояние до галактики. После открытия красного смещения в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной ( «мыльный пузырь» с пылинками на поверхности). Во Вселенной отсутствует какой-либо «центр разбегания» : расширяется все межгалактическое пространство (→ картина будет одинаковой при наблюдении с любой галактики).
• • Зная постоянную Хаббла, можно оценить приблизительный возраст Вселенной – 12 -15 млрд. лет (сейчас вычислено – 13, 7 млрд. л. ). Следствие расширения Вселенной: мы можем видеть только те объекты, свет от которых успевает дойти до нас; далекие галактики «убегают» со скоростью света → мы не можем их видеть → существует граница наблюдаемой Вселенной. Будущее Вселенной также можно рассчитать (на основе уравнений Фридмана), для этого надо знать массу вещества во Вселенной, т. е. массу всех галактик. Пока ученые ее не знают, т. к. , по оценкам, видимый материал во Вселенной (звезды, планеты, галактики) составляет ~ 1/10 часть ее массы, а всё остальное – темное вещество. Величина критической плотности Вселенной (известна): ρкр. = 10 -29 г/см 3. на основании этого значения можно предположить – какое будущее ожидает нашу Вселенную?
• • СЦЕНАРИИ БУДУЩЕГО ВСЕЛЕННОЙ: Если ρВс. > ρкр. – расширение замедлится, сменится сжатием (т. к. преобладают силы гравитации). Сигнал – фиолетовое смещение; люди погибнут раньше гравитационного коллапса изза мощного УФ-излучения. Если ρВс. < ρкр. – силы тяготения не остановят разбегания галактик - (сейчас). Если ρВс. = ρкр. - расширение замедлится и в дальнейшем прекратится (возможна пульсация). Объяснение космического расширения – модель Большого Взрыва (Г. А. Гамов, 1948): Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15 млрд. лет назад, когда всё вещество и энергия были сконцентрированы в одном сгустке огромной плотности и температуры. Вследствие быстрого расширения Космос стал быстро остывать. Гамов считал, что Б. Взрыв должен был оставить «след» - микроволновое излучение малой энергии. Модель Гамова долго не принималась всерьез, пока не было открыто предсказанное им излучение.
• • • Подтверждение теории – открытие «реликтового излучения» (Пензиас, Вильсон, 1964 г. , случайно) – приходит со всех сторон космического пространства, длина волны – 7 см, t = 3 К (-270˚С) – свидетельство истории Вселенной (аналогично можно судить об истории Земли по остаткам вымерших животных). Согласно теории Большого Взрыва, эволюция Вселенной происходила в 6 этапов.
• • • I этап - НАЧАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ВСЕЛЕННОЙ (т. н. сингулярная точка) Этап наиболее труден для объяснения и понимания. Для воссоздания самых первых мгновений Вселенной астрономы использовали данные физики элементарных частиц: 15 млрд. лет назад вся наблюдаемая нами Вселенная была сжата в комочек, при этом плотность вещества была чрезвычайно высокой – > 1093 г/см 3 (если утрамбовать 1084 10 -тонных грузовых автомобилей в объем наперстка), а его температура была бесконечно большой (RВс. = 0, ρВс. = ∞). Это начальное сверхплотное состояние называется сингулярностью. Известные законы физики в сингулярности не работают. Наука не может объяснить это состояние. Закономерный вопрос – ИЗ ЧЕГО ОБРАЗОВАЛАСЬ СИНГУЛЯРНОСТЬ? Предполагается, что она порождена вакуумом, который и был начальной формой материи. Квантовая физика допускает, что вакуум может переходить в «возбужденное состояние» (т. н. «ложный вакуум» , обладающий огромной энергией).
• • • II этап – БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ И РАЗДУВАНИЕ ВСЕЛЕННОЙ (инфляция). Состояние сингулярности чрезвычайно неустойчиво, в нем может возникать отрицательное давление (т. е. направленное внутрь среды). Отрицательное давление приводит к тому, что гравитационные силы становятся силами отталкивания → происходит безудержное и молниеносное расширение Вселенной (за 10 -30 сек – в 1030 раз) → Б. Взрыв. Скорость раздувания = 10400 000 км/с. Это не тот взрыв, который знаком на Земле, начинающийся в одной точке – Б. Взрыв происходит одновременно везде, любая частица материи устремляется прочь от любой другой. Вместе с Б. Взрывом и началом расширения Вселенной возникает пространство и время. В результате этого расширения гигантская энергия вакуума выделяется в виде излучения → Вселенная нагревается до t = 1027 К. При такой температуре привычные нам частицы (атомы, молекулы) не могут существовать. Поэтому вещество было в форме сверхгорячей плазмы – смеси элементарных частиц (лептоны и кварки), которые взаимопревращались. Потом Вселенная стала постепенно остывать (до t ~ 1013 К) кварки сливались, образуя нуклоны (p и n). Таким образом, в результате Б. Взрыва: Образовались время и пространство; Материя была плазмоподобной; Температура к концу периода снизилась до 1 млрд. ºС, плотность вещества стала равной плотности Pt (22 т/м 3). Продолжительность всего периода (взрыв + расширение) – 3 мин. !
Эмиссионный спектр (спектр излучения) железа. Спектр атома гелия He
III этап – ПЕРВИЧНЫЙ ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ После Б. Взрыва начался нуклеосинтез – процесс соединения p и n в ядра. • Следующие 500 -700 тыс. лет Вселенная постепенно расширялась дальше и остывала. • При t = 3000 K стало возможным взаимодействие р и ē с образованием атомов Н и Не. Исчезновение свободных ē вызвало излучение, которое свободно распространялось в виде фотонов. Т. о. , при остывании Вселенной вещество (атомы) и излучение (фотоны) разделились. • Атомы с тех пор претерпели множество превращений, а излучение так и осталось во Вселенной, но остыло до 3 К (-270˚С) – реликтовое излучение. Реликтовое излучение свидетельствует, что вещество во Вселенной первоначально распределялось однородно. • •
IV этап – ФОРМИРОВАНИЕ ГАЛАКТИК • Каким же образом из однородного вещества образовалось многообразие структур Вселенной (галактики, звездные скопления, планеты)? • Объясняет этот процесс теория гравитационной неустойчивости (Дж. Джинс). Ее сущность: • Материя не может быть распределена с постоянной плотностью в сколь угодно большом объеме по причине всемирного тяготения. •
Предполагается, что в однородной Вселенной возникли вихревые движения потоков вещества, что привело к его уплотнению в некоторых частях Вселенной. В таких уплотнениях силы тяготения проявляются заметнее, чем вне их, поэтому, несмотря на общее расширение Вселенной, расширение вещества в уплотнениях притормаживается и плотность уплотнений нарастает. • Предполагается, что эти плоские уплотнения, имевшие форму блинов, и дали начало крупномасштабным структурам во Вселенной – скоплениям галактик → Происходило сжатие «блина» → повышение его tв-ва → неустойчивое состояние системы → распад «блина» на подсистемы (зародыши галактик) → они также были неустойчивы → дальнейший распад на еще более мелкие уплотнения – зародыши звезд I поколения. •
• • • V этап – ЗВЕЗДНЫЙ НУКЛЕОСИНТЕЗ - образование хим. элементов в недрах сформировавшихся звезд. Эволюция звезды: Образование протозвезды в результате распада галактики. Протозвезда – холодный слабосветящийся гигантский газовый шар, состоящий из Н и Не. Гравитационное сжатие протозвезды (V – несколько км/с) → образование ядра звезды. Остановка сжатия (под действием давления излучения) и разогрев ядра звезды (за счет кинетической энергии сближающихся частиц) → начало термоядерных реакций (непосредственный нуклеосинтез). Все элементы Вселенной образовались в результате термоядерных реакций. Суть термоядерной реакции: при высоких температурах ядра атомов Н и Не соединяются с образованием более тяжелых хим. элементов: Н + Не → Ве; Ве + Не → С; С + Не → О; О + Не → Ne и т. д. Т. о. звезды – это «фабрики» по производству хим. элементов. Термоядерные реакции происходят с выделением энергии (→ свечение, тепловое излучение и т. д. ).
4. Переход в стабильное состояние: с началом термоядерных реакций звезда на очень продолжительный период стабилизируется и проводит в этом состоянии около 90% своей жизни, при этом звезда приобретает характерные для нее размеры и светимость. • Вся жизнь звезды проходит под воздействием двух сил: гравитации, пытающейся заставить звезду коллапсировать (погибнуть) под действием собственной массы, и энергии, возникающей во время протекающей в центре звезды термоядерной реакции. • Продолжительность жизни звезды зависит от ее массы (наиболее долгоживущие – звезды типа Солнца, более крупные – живут меньше). •
• Дальнейшая эволюция звезды зависит от ее массы: – если mзв = от 0, 1 до 1, 4 m. Солнца (в т. ч. само Солнце!) – термоядерная реакция (превращение Н в Не) идет только в ядре (не распространяется в наружные слои, т. к. нет конвекции) очень медленно. Возраст таких звезд практически равен возрасту Вселенной. • • • Ежегодно Солнце расходует на «освещение» ~ 4, 5 млн. тонн вещества (mпирамиды Хеопса). Когда выгорает весь Н, звезда сжимается, ее ядро нагревается, Не → С. Затем, в ходе сложных реакций, звезда излучает намного больше энергии и сильно расширяется - становится красным гигантом (RСолнца достигнет Венеры или Земли ~ через 1 млрд. лет). Затем внешние слои звезды постепенно отделяются и превращаются в планетарную туманность, а ядро превращается в белый карлик. Белый карлик - звезда, имеющая малые размеры, но очень большую плотность (человек ростом ~ 180 см при такой плотности должен весить 4 000 т), т. к. элементарные частицы в веществе очень плотно упакованы (в обычном состоянии атомы состоят в основном из пустоты). Масса белых карликов сопоставима с массой Солнца, но их радиус равен радиусу Земли. Пример белого карлика – спутник Сириуса – Щенок.
• • Постепенно свет и тепло расходуются, и белый карлик становится холодным мертвым черным карликом (это теоретически, т. к. пока ни одна звезда во Вселенной не остыла до такой степени). если mзв от 1, 4 до 5 m. Солнца (красный гигант), ядерные реакции в ней идут очень быстро, фазы сжатия чередуются с фазами расширения (переменные звезды), ядро постепенно выгорает, а t повышается. Ядерные реакции с выделением теплоты идут до образования Fe (№ 26; далее реакция прекращается, т. к. она не может идти одновременно с плавлением Fe). Образование других химических элементов требует затрат внешней энергии. После завершения в звезде всех возможных ядерных процессов в ней внезапно начинает доминировать гравитационная сила, и звезда начинает быстро сжиматься. Следующий за этим внезапный разогрев вызывает новую ядерную реакцию, которую сопровождает сильный взрыв. Взрыв приводит к гибели звезды – происходит вспышка сверхновой звезды (яркость вспышки ≈ 5 млрд. Солнц). Предполагается, что наиболее тяжелые элементы таблицы Менделеева образуются за счет энергии взрывающейся звезды.
• • • После взрыва от нее остается облако, обогащенное тяжелыми элементами (из него в дальнейшем образуются новые звезды). Ядро взорвавшейся звезды, наоборот, уплотняется и превращается в нейтронную звезду. В нейтронной звезде составные части атомов сливаются воедино: р+ + е- → no , она состоит из нейтронов. 1 см 3 материи нейтронной звезды весил бы на Земле около 1 млрд. т. , булавочная головка из вещества такой звезды будет весить > океанского лайнера. Масса нейтронной звезды в 1, 5 -2, 5 раза превышает Солнечную, а ее радиус всего около 10 км. Солнце не сможет превратиться в нейтронную звезду, т. к. недостаточно массы (должна быть в 3 раза >). Некоторые нейтронные звезды быстро вращаются вокруг своей оси и излучают магнитные поля и рентгеновские лучи – пульсары. Со временем скорость вращения пульсара уменьшается. Пульсар может быть в составе двойной системы с красным гигантом. Пульсар есть в центре Крабовидной туманности - это остатки сверхновой, вспыхнувшей в 1054 г – наблюдали в Древнем Китае и Корее: была яркой, как Венера, и видимой при свете дня несколько месяцев. За последнюю 1000 лет в нашей Галактике достоверно зарегистрировано 5 сверхновых (в 1006, 1054, 1572, 1604, 1987). Нейтронная звезда в конце концов рассеивается
• • • если mзв > 5 m. Солнца, по мере выгорания ядерного топлива (Н) гравитационное сжатие преобладает над всеми другими силами → гравитационный коллапс – сжатие звезды до размеров гравитационного радиуса (у Земли – 1 см, у Солнца – 3 км, но самопроизвольно не сожмутся, т. к. недостаточно внешнего давления - мелковаты) → звезда превращается в черную дыру. Черная дыра – это звезда большой массы на конечной стадии жизни, которая создает столь сильное гравитационное поле, что абсолютно не может испускать и отражать свет, поэтому для наблюдателя она кажется черной. Черные дыры выявляются по рентгеновскому излучению и гравитационному влиянию на окружающую среду. Обычно черные дыры обнаруживают в двойных звездных системах: сейчас обнаружено 11 таких объектов. Существует гипотеза, что наряду с черными дырами звездного типа, образовавшимися вследствие гравитационного коллапса крупной звезды, есть черные дыры гораздо больших размеров, образующиеся в ядрах галактик. Массы этих гигантских черных дыр составляют сотни миллионов солнечных масс, что равно ~ 1% общей массы Галактики (сверхкрупные черные дыры).
• • В последние годы появились предположения, что черные дыры являются областями перехода от одного пространства к другому, в другую Вселенную, с отличной от первой размерностью и, следовательно, с другими физическими свойствами. То, что выглядит в «нашем» трехмерном пространстве как черная дыра, в другом - является «белой дырой» , через которую захваченная материя выходит в это другое пространство. Одна из гипотез объяснения Тунгусского метеорита: он представлял собой микрочерную дыру (по космическим масштабам), «вошедшую» в Землю в Сибири в районе р. Подкаменная Тунгуска и «вышедшую» из нее в районе Бермудских островов ( «Бермудский треугольник» ). Таким образом, процессы эволюции звезд до конца не выяснены. Но можно определенно сказать: никакая звезда не будет сиять вечно, каждой отпущен свой срок (миллиарды лет) – из холодного газа она превратится либо в белый карлик, либо в нейтронную звезду, либо в черную дыру.
• • VI этап – ОБРАЗОВАНИЕ МОЛЕКУЛ Атомы химических элементов, синтезированные в звездах и попавшие в космическое пространство, объединяются за счет электромагнитного взаимодействия; наряду с неорганическими, образуются и органические вещества (> 50) и даже аминокислоты. В связи с этим часто возникает вопрос: способно ли вещество вне планет (в межзвездной среде) достигнуть самых высоких уровней сложности, т. е. возможна ли там жизнь. Этой теме посвящено множество научно-фантастических произведений, но современная наука не может ответить на этот вопрос. Пока известен только 1 вариант жизни в космосе – на Земле. Таким образом, мы рассмотрели наиболее признанную сегодня модель Вселенной – модель горячей расширяющейся Вселенной, возникшей в результате Большого Взрыва. Наиболее весомые доказательства этой теории: Красное смещение спектра далеких галактик (свидетельство расширения Вселенной). Реликтовое излучение (свидетельствует об однородности Вселенной на ранних этапах эволюции).
• • Существует и иные толкования этих фактов → другие космологические теории: Теория Суперструн – очень тонкие и тяжелые предшественники вещества пронизывали однородную Вселенную. Гипотеза возникновения Вселенной из горячей плазмы, равномерно заполнявшей все пространство. + еще 8 гипотез. В настоящее время (1961) сформулирован антропный принцип: Вселенная будет казаться такой, какой ее видят разумные существа, которые в состоянии любоваться ею и ее изучать.
Модель Расширяющейся Вселенной еще раз обращает нас к глобальной мировоззренческой проблеме – проблеме множественности миров. • Первичный взгляд на Вселенную как нечто в целом однородное и изотропное сейчас сменяется представлением о Вселенной островного типа, состоящей из многих локально-однородных и изотропных минивселенных, в каждой из которых свойства элементарных частиц, величина энергии вакуума и даже размерность пространства могут быть различны. •
В этом смысле можно уже по-другому взглянуть на проблему жизни «разумных» существ в других Вселенных: они могут иметь совершенно иные физические свойства и взаимодействовать (говорить) на совершенно других языках без принципиальной возможности перевода. Мы не можем (и не сможем!) их понять не потому, что нам не знаком язык, а потому, что в их Вселенной иная структура, пространственная ориентировка, размерность материального мира, иной носитель мышления.