Модели Вселенной

К настоящему времени разработан целый ряд моделей Вселенной. Все они построены на основе космологического уравнения Эйнштейна, которое описывает взаимодействие составляющих материи и геометрию пространства.

В начале 20-х годов российский физик А. Фридман предложил модель нестационарной Вселенной. Он показал, что мир должен либо расширяться, либо сжиматься, причем решающее значение для его поведения имеет плотность вещества. Если она больше так называемой критической плотности, то мир сферичен, имеет положительную кривизну, а его геометрия не является евклидовой. Такой мир должен быть когда-то сверхплотным и занимать очень малый объем. Затем он постепенно расширился и достиг некоторого предельного объема, после чего началось его убыстряющееся сжатие, сменившееся расширением. Такой мир называется пульсирующим: у него нет границ, его объем ограничен. Другими словами, он является закрытым.

Если же средняя плотность вещества Вселенной меньше критической, то от некоторого сверхплотного состояния с малым объемом мир должен был неограниченно расширяться. Так как пространство такого мира имеет кривизну (отрицательную в данном случае), его геометрия также неевклидова. Согласно этой модели, объем мира с течением времени неограниченно возрастает. Другими словами, он является открытым.

Американский астроном Хаббл в 1929 г. измерял скорости движения галактик.

Для этого он определял так называемое "красное смещение" – наблюдаемый в спектрах излучения галактик сдвиг спектральных линий, присущих определенным химическим элементам, в сторону более длинных волн (красного цвета) по сравнению с их нормальными значениями. Наблюдаемое Хабблом "красное смещение" означает, что объект удаляется от наблюдателя (хорошо известный в физике эффект Допплера – при удалении от наблюдателя белый свет источника переходит в красный, а при приближении – в синий).

Выяснилось, что существующая Вселенная не стационарна, галактики убегают от нас. Чем дальше они от нас, тем больше их скорость, т.е. наша Вселенная расширяется. Остается открытым вопрос о связи между направлением течения времени и расширением Вселенной. Если такая связь существует, то не обратиться ли направление времени вспять, когда Вселенная перестанет расширяться и начнет сжиматься вновь? Как известно, законы физики не проводят различия между направлениями времени и не отдают предпочтения какому-то направлению в пространстве.

Существуют по меньшей мере три разные стрелы времени: термодинамическая стрела, определяющая направление времени, в котором беспорядок (энтропия) возрастает; психологическая стрела, определяющая наши ощущения, связанные со временем (мы помним прошлое, но не знаем будущего); космологическая стрела, определяющая направление, в котором расширяется (не сжимается) Вселенная.

Считается, что термодинамическая стрела времени предопределяет психологическую, и что они всегда указывают в одном и том же направлении. Исходя из нынешнего состояния Вселенной, предполагают, что они взаимосвязаны и с космологической стрелой. Английский ученый С. Хокинг считал, что если стрелы времени имеют одинаковое направление, существуют подходящие условия для развития разумных существ.

Второе начало термодинамики утверждает, что энтропия (мера беспорядка) со временем может только возрастать. Поскольку психологическая стрела времени определяется термодинамической, беспорядок со временем возрастает потому, что мы измеряем время в том направлении, в котором беспорядок возрастает. Почему же Вселенная должна пребывать в состоянии высокого порядка только на одном конце времени – в прошлом? Почему она не находится в состоянии полного беспорядка во все времена, что являлось бы более вероятным? Почему направление времени, в котором беспорядок возрастает, совпадает с направлением расширения Вселенной?

На эти и подобные вопросы отвечает теория относительности А. Эйнштейна, где связаны воедино три измерения пространства и время. Образуемое при этом пространство оказывается искривленным, а искривлено оно потому, что во Вселенной находится энергия и вещество.

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 исчезло бы также пространство и время» Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени. Что же было тогда, когда ничего не было и что находится за пределами расширения? Ответы на эти противоречивые вопросы дает скорее натурфилософия, чем наука.

В общей теории относительности рассматриваются три возможных варианта существования Вселенной во времени:

1. Вселенная может существовать в течение бесконечно долгого времени в прошлом и будущем.

2. Вселенная может иметь начало и конец.

3. Вселенная может периодически меняться во времени.

С. Хокинг с соавторами показали, что, скорее всего, имеет место второй вариант. Вселенная началась около 15 млрд. лет тому назад из состояния, при котором плотность вещества была бесконечно большой, а кривизна пространства-времени бесконечно малой. Законы физики такого состояния предсказать невозможно, следовательно, неизвестно какова должна была быть термодинамическая стрела времени. Ученые считают, что «граничное условие для Вселенной – отсутствие границ». Это означает, что Вселенная должна быть замкнутой, следовательно, она никогда не нуждалась в каком-либо внешнем агенте для своего «запуска».

По мнению С. Хокинга и его коллег, пространство-время можно уподобить поверхности Земли с нанесенной сеткой меридианов и параллелей. Градусы географической широты можно рассматривать как время. Если перемещаться по поверхности Земли, например, с Северного полюса на юг – широтные круги увеличиваются в своем размере. Это похоже на Вселенную, начавшуюся в точке и расширяющуюся. Вселенная достигнет максимальных размеров (как Земля возле экватора) и начнет стягиваться (приближение к Южному полюсу). Аналогично полюсам начало и конец времени должны быть одними из точек пространства–времени. При этом предполагается, что расширение Вселенной должно было начаться с очень гладкого и упорядоченного состояния.

Что же случиться, если Вселенная прекратит расширение и начнет сжиматься? Обернется ли термодинамическая стрела вспять? Начнет ли уменьшаться беспорядок со временем? Что будет с людьми, если это произойдет? Им придется вспоминать «завтрашние» цены при желании что-нибудь купить, и они смогут встретить живого, хотя и недавно похороненного родственника? Такое состояние весьма маловероятно. Даже если возможно обратное сжатие Вселенной, вряд ли оно будет упорядоченным и гладким, скорее всего оно произойдет опять же в сильно неупорядоченное, так как неупорядоченных состояний множество. Следовательно, термодинамическая стрела не обратиться вспять.

Почему термодинамическая и космологическая стрелы времени указывают в одинаковом направлении? Почему беспорядок увеличивается в том же направлении времени, в каком расширяется Вселенная? Почему мы находимся в фазе расширения, а не сжатия? Да потому, что при сжатии Вселенной исчезают условия, необходимые для существования мыслящих существ, способных задавать эти вопросы. Очевидно, Вселенная еще очень долгое время не будет сжиматься, а когда это начнет происходить, все звезды выгорят, протоны, нейтроны и другие тяжелые частицы распадутся на легкие, израсходовав себя на излучения. Вселенная окажется в состоянии полного беспорядка, и никакой термодинамической стрелы времени существовать не будет.

Задания (8): 1. Перечислите компоненты Вселенной. 2. Опишите, как рождаются звезды. 3. Какие типы звезд Вам известны? 4. Дайте сравнительный анализ существующим моделям Вселенной. 5. Охарактеризуйте стрелы времени. 6. Могут ли стрелы времени иметь разное направление, обоснуйте.

Дата добавления: 2014-01-03