Происхождение Вселенной

Во все времена люди хотели знать, как возник наш мир. Когда в культуре господ­ствовали мифологические представления, происхождение мира объяснялось, как, скажем, в «Ведах», рас­падом первочеловека Пуруши. То, что это была общая мифологи­ческая схема, подтверждается и русскими апокрифами, напри­мер, «Голубиной книгой». Победа христианства утвердила пред­ставления о сотворении мира Богом из ничего «не из сущих» «словом Божиим». Одним из догматов христианской религии является учение о поэтапном творении мира Богом: «Вначале сотворил Бог не­бо и землю... И сказал Бог: да будет... И стало так... И был вечер, и было утро: день один... второй... третий... четвер­тый... пятый... шестой... Так совершены все небо, и земля, и все воинство их» (Быт. 1; 2,1, также: 2 Макк. 7,28; Ис. 45,18; Иер. 10,12; Пс. 145, 6; Ин. 1, 3; Рим. 4, 17; Кол. 1; 16,17; Евр. 11,3 и др.). Еврейское слово «йом» (переведенное на церковнославянский и русский языки как «день») означает не только день, но и период, эпоху, неопределенный промежуток времени, момент.

Если суммировать учение Откровения о творении, то его можно свести к следующим основным положениям.

1. Мир не самобытен, но явился результатом особого творческого акта Божия.

2. Мир не образован Богом из вечно существующей ма­терии, но сотворен, т.е. и сама материя, и мир в целом (ко­смос) вызваны из небытия к бытию единственно всесиль­ным творческим словом Божиим.

3. Творение мира было не моментальным, но постепен­ным, шестидневным.

4. Наряду с миром видимым, т.е. доступным восприя­тию наших чувств, создан и мир невидимый, сверхчувст­венный, духовный.

С появлением науки в ее современном понимании на смену мифологическим и религиозным приходят научные представле­ния о происхождении Вселенной, как места вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению. В XVIII, XIX и даже в первой половине XX века в астрономии господ­ствовала теория ста­ционарного состояния, согласно которой Вселенная всегда была почти такой, какой мы видим ее сейчас.

Современные представления о Вселенной формируются космологией – наукой о космосе, как упорядоченной структуре, изучающей строение и эволюцию Вселенной как единого целого, открывающей наиболее общие законы ее развития. Это изучение зиждется на нескольких предпосылках. Bo-первых, формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной. Во-вторых, производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространимыми на всю Вселенную. И, в-третьих, истинными признаются только те выводы, которые не противоре­чат возможности существования самого наблюдателя, т.е. челове­ка (так называемый, антропный принцип).

Выводы космологии называются моделями происхождения и раз­вития Вселенной. Наиболее общепринятой в космологии яв­ляется модель однородной изотропной не­стационарной горячей расширяющейся Все­ленной, построенная на основе общей тео­рии относительности, создан­ной Альбертом Эйнштейном в 1916 г. В основе этой модели лежат два предположения: свойства Вселенной одинаковы во всех ее точ­ках (однородность) и направлениях (изотропность); 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.

Из теории относительности следовало, что искривленное про­странство не может быть стационарным: оно должно или расши­ряться или сжиматься. Первым это заметил в 1922 г. петербургс­кий физик и математик Александр Александрович Фридман (1888 – 1925). Решая уравнение общей теории относительности, Фридман получил три модели, отражающие состояние Вселенной:

1. Если плотность материи равна критической (10^-29 г/см³)*, то пространство не искривляется, а Вселенная равномерно расширяется в бесконечность.

2. При плотности меньшей критической кривизна пространства отрицательна, и Вселенная носит открытый характер (пространственно бесконечна). Современное расширение Вселенной будет продолжаться всегда, при чем скорость ее расширения выше, чем в первом случае.

3. Если плотность материи больше критической, то пространство замкнутое (Вселенная конечна, но не ограничена, вроде поверхности сферы) и характеризуется положительной кривизной. Под действием гравитации расширение Вселенной рано или поздно должно прекратиться, и начнется обратный процесс сжатия до состояния бесконеч­но большой плотности.

На эти выводы не обращали внимания вплоть до открытия американс­ким астрономом Эдвином Хабблом (1889 – 1953) в 1929 г., так называемого, крас­ного смещения в спектрах далеких галактик. Красное смещение – это понижение частот электромагнитного излучения; в видимой части спектра линии смещаются к его длинноволновому (крас­ному) краю по сравнению с теми же линиями в спектрах источников, неподвижных относительно наблюдателя. Согласно обнаруженному ранее эффекту Доплера 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. Спектральный анализ излучения различных галактик показал, что все они удаляются относительно нашей галактики с очень большой скоростью – 55 км/с. Это результат разбегания самих галактик, а следствие этого процесса – расширение пространства между ними. Способность пространства растягиваться было доказано общей теорией относительности.

Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом Взрыве, происшедшем примерно 10 – 20 млрд. лет назад. Модель Большого Взрыва была предложена в 1948 г. Георгием Антоновичем Гамовым – русским физиком-теоретиком, эмигрировавшим в 1933 г. из Советского Союза в США. Этот взрыв, по словам С. Вейнберга, произошел одновременно везде, за­полнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы. Начальное состояние Вселенной, так называемая, сингулярная точка. Первоначальный объем, в котором была сконцентрирована вся материя нашей Вселенной на стадии сингулярной точки, имел диаметр 10^{-33 см, вещество обладало бесконечной плотностью массы (1093} г/см³). На этой стадии Вселенная обладала бесконечной кривизной про­странства и сверхвысокой температурой (10²⁷ К*), при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино).

Горячесть начального состояния подтверждена открытием американскими астрономами А. Пензиасом и Р. Вилсоном в 1965 г. реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной, когда ей было всего около 3 млн. лет. Реликтовое излучение представляет собой фоновое, независимое от направления внегалактическое тепловое излучение. Первоначально реликтовое излучение представляло собой лучи, которые обладали огромной энергией, но расширение и охлаждение сгустка привело к тому, что излучение также «остыло» (примерно до 3 К) и энергия фотонов уменьшилась, т.е. возросла длина их волны. Это излучение и сейчас существует во Вселенной, но теперь уже в виде радиоволн, микроволнового и инфракрасного излучения.

Возникает интересный вопрос: из чего же образовалась Вселен­ная? В Библии утверждается, что Бог создал все из ничего, вначале Вселенная была «безвидна и пуста» (Быт., 1,2). Современная наука допускает, что все могло создасться из ни­чего. «Ничего» в научной терминологии называется физическим вакуумом. Вакуум, который физика ХIХ в. 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 – «ложный вакуум», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспери­ментами) – вещество. Возбужденный вакуум способен создавать гигантскую силу космического отталкивания, приведшую к безудержному раздуванию «пузырей пространства», обладающих колоссальными запасами энергии.

С помощью исследований на ускорителях элементарных частиц было смоделировано гипотетическое состояние Вселенной в самые ранние промежутки времени, когда возраст Вселенной составлял всего 10^-4 с, а сама Вселенная была сжата до размеров Солнечной системы. Информация о более ранних моментах жизни нашей Вселенной основывается на результатах математических расчетов. Так, математически доказано, что расширение зародившейся Вселенной происходило по экспоненте (за каждые 10^-32 с диаметр Вселенной увеличивался в 10⁵⁰ раз). Первоначально скорость раздувания значительно превосходила даже скорость света, это было возможным поскольку материя в современном понимании отсутствовала, в этот момент во Вселенной не было даже элементарных частиц. Данный тип раздувания был назван инфляцией (от лат. inflation – вздутие). В этот момент Вселенная характеризовалась анизотропией и неоднородностью материи. Однако уже с 10^-43 с по 10^-34 с произошло формирование пространственно-временных характеристик нашей Вселенной.

В конце инфляционной фазы Вселенная была пустой и холодной, но уже с 10^-34 с огромные запасы энергии, сосредоточенные в исходном физическом вакууме, высвободились в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную до температуры 10²⁷ К. При такой температуре Вселенная наполняется сверхмассивными частицами, так называемыми Х - и У -бозоны. Наступила эра Великого объединения. Первичная материя Вселенной была представлена сгустком плаз­мы из частиц и античастиц, расширяющимся все больше и больше под действием взрывной волны. Однако по мере остывания первоначально происходило замедление процесса аннигиляции, частицы и античастицы вместо аннигилирования самораспадались. Поскольку распад вещества и антивещества происходит по-разному, образуется небольшой избыток частиц над античастицами. На каждый миллиард античастиц приходилось миллиард плюс одна частица. По мере дальнейшего остывания Вселенной антивещество аннигилировало с веществом и при этом почти все вещество исчезло. Мизерный остаток частиц вещества и послужил материалом, из которого построена вся современная Вселенная. При аннигиляции первичного вещества и антивещества во Вселенную выделилось огромное количество энергии (гамма-излучение), по мере расширения Вселенной эта энергия остыла и превратилось в реликтовое излучение – фоновое тепловое излучение, которое составляет значительную часть энергии Вселенной.

Спустя 10^-12 с после Большого Взрыва температура снижается до 10¹⁵ К, что делает возможным рождение всех известных элементарных частиц и античастиц (эра барионов, адронов, лептонов). Однако первоначально эти частицы представляли собой «кварковую жидкость», не имели индивидуальных свойств. При температуре ниже 10¹⁵ К произошло отделение электромагнитного взаимодействия от слабого. Через 10^-3 с после Большого Взрыва при температуре 10¹³ К произошла конденсация кварков с образованием адронов (протоны, нейтроны, мезоны и др.).

К концу первой секунды после Большого Взрыва температура достигла 10¹⁰ К. При такой температуре сложные атомные ядра существовать не могли. Лишь при снижении температуры на два порядка стали возможны ядерные реакции (эра термоядерных реакций, или синтеза ядер). Уже через 100 с после начала Большого Взрыва во Все­ленной появилась смесь легких ядер (2/3 водорода и 1/3 гелия). Однако лишь через сотни тысяч лет, в период рекомбинации, при температуре 4000 К, стало возможным присоединение к ядрам электронов и образование нейтральных атомов водорода и гелия. Основные вехи эволюции Вселенной, согласно теории Большого Взрыва, отражены в таблице 1.

Таблица 1

Этапы эволюции Вселенной

Время с момента Большого Взрыва	Эпоха	Процессы	Лет тому назад
	Сингулярная точка	Большой Взрыв	20 млрд.
Первые секунды	Барионов, адронов, лептонов	Рождение всех элементарных частиц, возникновение симметрии между материей и антиматерией	20 млрд.
100 с	Синтез ядер	Заполнение Вселенной атомными ядрами водорода (70%) и гелия (30%)*	20 млрд.
1 – 2 млрд. лет	Начало образования галактик	18 – 19 млрд.
4 млрд. лет	Сжатие нашей галактики	16 млрд.
15,2 млрд. лет	Образование Солнечной системы	14,8 млрд.
15,4 млрд. лет	Образование планет Солнечной системы	14,6 млрд.
17 млрд. лет	Зарождение жизни на Земле	3 млрд.
19,998 млрд. лет	Появление человека	2 млрд.

Американский астроном Карл Саган построил наглядную модель эволюции Вселенной, в которой космический год равен 15 млрд. земных лет, а 1 с – 500 годам: Большой Взрыв – 1 января; образование галактик – 10 января; образование Солнечной системы – 9 сентября; образование Земли – 14 сентября; зарождение жизни на Земле – 25 сентября; появление первых рыб – 19 декабря, млекопитающих – 26 декабря, птиц – 27 декабря; возникновение приматов – 29 декабря; появление первых людей – 31 декабря (22 часа 30 мин.).

Каким видят ученые сценарий развития Вселенной в будущем? В том случае, если Вселенная является закрытой системой, т.е. ограничена (конечна), исходя из общей массы Вселенной 10⁵² т, можно предположить, что через 30 млрд. лет она начнет сжиматься и через 50 млрд. лет вновь вернется в сингулярное состояние. Полный цикл расширения и сжатия Вселенной составляет примерно 100 млрд. лет.

Будущее бесконечной (открытой) Вселенной – тепловая смерть. Уже рез 10¹⁴ лет многие звезды остынут, что приведет к тому, что планеты начнут отрываться от своих звезд, а звезды покидать свои галактики. Примерно через 10¹⁹ лет центральные области галактик коллапсируют, образуя «черные дыры». Эти черные дыры через 10¹⁰⁰ и более лет испарятся, превратив Вселенную в электронно-позитронную плазму ничтожной плотности. Такое состояние Вселенной станет ее окончательной смертью.

Дата добавления: 2014-01-07