|
|
|
ТЕОРИЯ БОЛЬШОГО ВЗРЫВА
Картина Вселенной, нарисованная Хабблом, получила популярное название "расширяющейся Вселенной". Но если Вселенная и в самом деле расширяется, то не означает ли это, что мы живем в гигантском скоплении галактик, которое некогда разлетелось во все стороны в результате гигантского взрыва?.. Во всяком случае, именно к такому выводу пришел бельгийский астроном аббат Жорж Эдуард Лемэтр (1894-1966).
В 1927 году Лемэтр высказал предположение, что несколько миллиардов лет назад (в так называемом "нуль-пункте времени") все вещество Вселенной было сконцентрировано в один сверхплотный сгусток - "первородный атом". И хотя в этом сгустке была сосредоточена вся масса Вселенной, его размеры не превышали расстояния от Земли до Солнца, то есть Vm IWO светового года. "Первородный атом" был неустойчив, вследствие чего произошел самый гигантский и катастрофический взрыв, какой только можно себе вообразить. Вещество, разлетевшееся во все стороны в результате этого взрыва, сконденсировалось затем в галактики, в которых начался процесс образования звезд. Последствия взрыва "первородного атома" сказываются и поныне: мы наблюдаем их в виде разбегания галактик и скоплений галактик друг от друга.
Далее Лемэтр предположил, что различные осколки "первородного атома" были выброшены с различными скоростями (в зависимости от того, в какой части в момент взрыва находился каждый осколок и насколько он затормозился в результате столкновений с другими осколками). Из такого допущения следовало, что те осколки, которые сохранили высокие скорости, должны постоянно удаляться от тех, чьи скорости были меньшими. Именно это, по мнению Лемэтра, и привело к нынешнему положению вещей, когда галактики удаляются друг от друга со скоростью, прямо пропорциональной расстоянию.
Лемэтровская модель Вселенной по сути дела являлась физической аналогией модели де Ситте-ра. Вселенная де Ситтера расширялась потому, что это соответствовало разработанным Эйнштейном уравнениям. Вселенная Лемэтра расширялась совершенно по другой причине - вследствие взрыва, то есть конкретного явления природы.
Когда Лемэтр высказал свою идею, на нее поначалу не обратили внимания. Широкое признание она завоевала лишь после того, как ее сторонником и пропагандистом стал английский физик и астроном Артур Стэнли Эддингтон (1882-1944). Он не только принял эту идею, но и широко популяризовал (в частности, в своей книге "Расширяющаяся Вселенная", увидевшей свет в 1933 году).
После Эддингтона восторженным сторонником взглядов Лемэтра стал американский астрофизик русского происхождения Джордж Гамов (1904- 1967), известный, кроме того, как блестящий популяризатор научных знаний, автор ряда увлекательных и богатых по содержанию научно-популярных книг. Имея в виду первоначальный взрыв, Гамов назвал лемэтровскую модель Вселенной теорией Большого Взрыва. Кроме того, он предложил образную терминологию: взрывающийся сгусток уплотненного вещества стал называться илем (этот термин заимствован у Аристотеля, который обозначал им основную субстанцию Вселенной), а всеразрушающий взрыв - big band ("большой хлопок").
Зная соотношение между скоростями галактик и их взаимными расстояниями, а также допуская, что скорости оставались неизменными, можно определить, хотя и приблизительно, время "большого хлопка". Вычисления астрономов показали, что он должен был произойти около 15-20 миллиардов лет назад. Однако согласно закону всемирного тяготения,- галактики притягивают друг друга. Исходя из этого скорость взрывающегося., облака должна была постепенно уменьшаться. Если учесть этот фактор, то получится несколько меньшая величина.
^Таким образом, логическое развитие теории Большого Взрыва приводит к весьма драматическому событию в истории Вселенной. Естественно исчислять ее "возраст", начиная с этого момента времени, называемого начальной сингулярностью. Во всяком случае, Лемэтр считал, что именно в это мгновение и был сотворен мир. А его последователи - Гамов и ряд других ученых, пошли
еще дальше - они подробно описали, что происходило после сотворения мира!
Суть глобальной катастрофы, которая, согласно гипотезе илема, лежит у истоков нашего мира, вкратце можно изложить следующим образом. (Цитируется с небольшими сокращениями по книге Стивена Вайнберга "Первые три минуты".)
"...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. В этом контексте "все пространство" может означать либо все пространство бесконечной Вселенной, либо все пространство конечной Вселенной, которое замкнуто на себя, как поверхность сферы...
Примерно через одну сотую долю секунды, самое раннее время, относительно которого мы можем говорить с какой-то определенностью, температура Вселенной была равна примерно ста тысячам миллионов (1011) градусов Цельсия. Это значительно горячее, чем в центре самой горячей звезды, так горячо, на самом деле, что ни одна из компонент обычного вещества - молекулы, атомы или даже ядра атомов - не могла существовать. Вместо этого вещество, разлетавшееся в разные стороны в таком взрыве, состояло из различных типов так называемых элементарных частиц, являющихся предметом изучения современной физики высоких энергий.
В ранней Вселенной в больших количествах присутствовало несколько типов элементарных частиц. Один тип частиц - это электроны, отрицательно заряженные частицы, которые переносятся электрическим током и образуют внешние части атомов и молекул теперешней Вселенной. Другой тип частиц, имевшихся в изобилии на ранней стадии, - это позитроны, положительно заряженные частицы с массой, в точности равной массе электрона. В теперешней Вселенной позитроны обнаруживаются только в лабораториях физики высоких энергий, в некоторых типах радиоактивного распада, а также в бурных астрономических явлениях вроде космического излучения или сверхновых, но в ранней Вселенной число позитронов почти точно равнялось числу электронов. Вдобавок к электронам и позитронам было примерно одинаковое количество нейтрино различных типов - призрачных частиц, не имеющих вообще ни массы, ни электрического заряда. Наконец, Вселенная была заполнена светом. Его не следует рассматривать отдельно от частиц - квантовая теория говорит нам, что свет состоит из частиц нулевой массы и нулевого электрического заряда, известных под названием фотонов... Каждый фотон несет определенную порцию энергии и импульса, зависящую от длины волны света. Чтобы описать тот свет, который заполнил раннюю Вселенную, мы можем сказать, что число и средняя энергия фотонов были примерно такими же, как у электронов, позитронов и нейтрино.
Эти частицы - электроны, позитроны, нейтрино, фотоны - непрерывно рождались из чистой энергии и затем весьма быстро вновь аннигилировали. Поэтому число этих частиц не было предопределено заранее, а определялось балансом между процессами рождения и аннигиляции. Из этого баланса можно вывести, что плотность такого космического супа при температуре сто тысяч миллионов градусов была примерно в четыре тысячи миллионов (4 o 109) раз больше, чем у воды. Кроме того, имелась небольшая примесь более тяжелых частиц, протонов и нейтронов, которые в сегодняшнем мире являются составными частями атомных ядер. (Протоны положительно заряжены; нейтроны чуть тяжелее и электрически нейтральны.) Пропорции составляли примерно один протон и один нейтрон на каждую тысячу миллионов электронов или позитронов, или нейтрино, или фотонов. Это число - тысяча миллионов фотонов на одну ядерную частицу - является критической величиной, которая должна браться из наблюдений в целях построения стандартной модели Вселенной...
В процессе развития взрыва температура падала, достигнув через одну десятую секунды тридцати тысяч миллионов (3 o 1010) градусов Цельсия, через одну секунду - десяти тысяч миллионов градусов и через четырнадцать секунд - трех тысяч миллионов градусов. Это уже было достаточно прохладно для того, чтобы электроны и позитроны начали аннигилировать быстрее, чем они могли рождаться вновь фотонами или нейтрино. Энергия, выделявшаяся при такой аннигиляции вещества, постепенно замедляла скорость охлаждения Вселенной, но температура продолжала падать, достигнув наконец одной тысячи миллионов градусов в конце первых трех минут. Тут уже стало достаточно прохладно для того, чтобы протоны и нейтроны начали образовывать сложные ядра, начиная с ядра тяжелого водорода (дейтерия), состоящего из одного протона и одного нейтрона. Плотность была все еще достаточно велика (чуть меньше плотности воды), так что эти легкие ядра были способны быстро объединяться в более стабильные легкие ядра, такие, как ядра гелия, состоящие из двух протонов и двух нейтронов.
В конце первых трех минут Вселенная содержала главным образом свет, нейтрино и антинейтрино. Кроме того, имелось небольшое количество ядерного материала, состоящего к этому моменту примерно из 73 процента ядер водорода и на 27 из ядер гелия, и столь же малое количество электронов, оставшихся от эры электрон-позитронной аннигиляции. Эта материя продолжала расширяться, становясь постепенно холоднее и разреженнее. Значительно позже, через несколько сот тысяч лет, стало уже достаточно холодно для того, чтобы электроны смогли объединиться с ядрами, образовав атомы водорода и гелия. Образовавшийся газ начал под действием гравитации образовывать сгустки, которые в конце концов сконденсировались, образовав галактики и звезды нынешней Вселенной. Однако звезды начали свою жизнь как раз с теми составными элементами, которые были изготовлены в первые три минуты".
Обрисованная выше теория Большого Взрыва является на сегодняшний день самой популярной изо всех других моделей, описывающих происхождение Вселенной. Из нее следует, что чрезвычайно высокие плотности и температуры, существовавшие в первые минуты расширения Вселенной, и огромное число столкновений частиц высоких энергий обеспечили рождение всех разновидностей элементарных частиц, после чего образовалась основная смесь этих частиц, существующая по настоящее время. В те же минуты образовалось огромное число фотонов, поскольку многие реакции между частицами сопровождались их рождением.
Однако даже сторонники теории Большого Взрыва замечают, что, возможно, эта теория и не самая "удовлетворительная", так как "в ней имеется смущающая неопределенность относительно самого начала"( (Кстати, начальная сингулярность не может быть описана и уравнениями современной физики.у.Что же касается того, что было до Большого Взрыва, то по этому вопросу они вообще высказываются весьма туманно. Одни говорят, что "Вселенная существовала и раньше и, возможно, была похожа на Вселенную наших дней; затем она сократилась и перешла в концентрированной состояние - илем". Другие утверждают, что "мир был сотворен и уже в момент сотворения имел вид иле-ма". Как видим, в последнем случае Вселенная оказывается конечной во времени в том смысле, что утверждается ее "начало" и, следовательно, акт Творения, то есть божественное вмешательство. Именно в момент сотворения Вселенная приобрела тот свод законов природы, которые в дальнейшем стали определять развитие мира.
А теперь зададимся вот каким вопросом: находится ли теория Большого Взрыва с этими самыми законами природы в согласии? Не противоречит ли она им? Оказывается, нет. Во всяком случае нарушений тех физических законов, которые установлены на основании земных экспериментов, с позиций этой теории не наблюдается (в частности, она базируется на данных ядерной физики). А кроме того, теория Большого Взрыва соответствует космологическому принципу (все обломки вселенского катаклизма распределены в пространстве равномерно и "разбегаются" в соответствии с некоторым законом) и разрешает парадокс Оль-берса. Этот парадокс не мешает ей вот по каким причинам.
В расширяющейся Вселенной скорость света достигается на расстоянии 12,5 миллиарда световых лет. Это предел наблюдаемого космического пространства, или радиус Хаббла. Зная радиус, можно определить и диаметр сферы наблюдаемой Вселенной (с Землей в центре): он равен 25 миллиардам световых лет. Если предположить, что за пределами этой воображаемой сферической поверхности существуют галактики, то они остаются для нас невидимыми, поскольку излучаемый ими свет никогда до нас не дойдет. Фотоны, испускаемые ими в направлении Земли, будут иметь чистую относительную скорость, направленную от нас, так же как камень, брошенный с конца движущегося с большой скоростью поезда, кажется стоящему у рельсов наблюдателю летящим вперед. При этом скорость фотонов, излучаемых столь отдаленными галактиками, никак нельзя считать сверхсветовой. Вспомним: теория относительности (как специальная, так и общая) запрещает движение материальных тел со скоростями, большими скорости света (300000 км/с), то есть удаление от нас физических объектов с такими скоростями попросту невозможно. Как показали математические расчеты, каждая галактика почти неподвижна относительно окружающего пространства. Ее скорость в "своем пространстве", называемая пекулярной скоростью, как правило, не превышает 1000 км/с. По закону Хаббла расширение Вселенной проявляется лишь для больших расстояний, таких, как расстояния между скоплениями галактик, а более мелкие объекты - скажем, Солнечная система или даже наша Галактика - заметного расширения не испытывают. Так что большая скорость далеких галактик есть просто как бы эффект накопления малых скоростей расширения в каждой точке пространства.
Из всего вышесказанного следует, что темное ночное небо, над которым ломал себе голову Оль-берс, создается конечной видимой Вселенной. Более того, с течением времени все большее и большее количество галактик должно пересечь сферу радиусом 12,5 миллиардов световых лет, и тогда ночное небо станет еще темнее, так как эти галактики станут для нас невидимыми. Ночное небо темнеет также и из-за эффекта Доплера. В расширяющейся Вселенной свет галактик "стареет" и ослабевает. Чем дальше от нас галактика, тем сильнее красное смещение. Из-за красного смещения бесконечное число приграничных галактик будет посылать в нашу сторону лишь конечное количество излучения, поскольку свет далеких галактик сместится в инфракрасную область, недоступную наблюдениям невооруженным глазом. Значит, если Вселенная расширяется, то парадокс Ольберса уже не противоречит существованию в ней бесконечного числа галактик.
Кстати, согласно теории Большого Взрыва, наблюдаемые нами галактики и скопления галактик, то есть все то, что мы называем Метагалактикой, и составляют целиком Вселенную; за ее пределами в буквальном смысле нет ничего. Во всяком случае, нет для нас, поскольку, как мы видели, этой теорией признается существование какой-то внешней границы, заглянуть за которую мы не можем.
Серьезным подкреплением теории Большого Взрыва служат прежде всего астрономические наблюдения. Сначала это было открытие "разбега-ния" далеких галактик, затем - обнаружение реликтового излучения, пронизывающего всю наблюдаемую часть Вселенной.
Реликтовое излучение - это кванты электромагнитных волн, испущенные, как предполагается, элементарными частицами почти сразу после Большого Взрыва. Тогда их энергия соответствовала температуре около 10 миллиардов градусов. Но за 15-20 млрд. лет движения в расширяющемся пространстве они испытали такое сильное красное смещение, что теперь их энергия (пропорциональная частоте) соответствует температуре в 3 градуса по шкале Кельвина.
Существование реликтового излучения было предсказано теоретически Джорджем Гамовым в 40-х годах. А открыто оно американскими учеными Пензиасом и Уилсоном в 1965 году с помощью радиотелескопа, построенного в компании "Белл телефон лабораторис". Если это излучение действительно является реликтовым остатком первых минут эволюции Вселенной, то тогда можно считать, что ранняя Вселенная действительно была и мы до сих пор в буквальном смысле "слышим" отголоски Большого Взрыва.
|
|
|
|
|