Современная космологическая естественно-научная картина

3. Современная космологическая естественно-научная картина

мира

Современное существование естествознания в ее фундаментальных основаниях не может быть ограничено лишь знанием закономерностей макро- и микро- миров. Если микромир есть своего рода "стартовая площадка" для "разгона" современной физики, то мегамир есть действительный "полигон" для развертывания этих закономерностей. В этой связи основополагающей системой представлений в качестве общепризнанной выступает так называемая теория Большого взрыва (Big Beng).

В основе этой теории лежит предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 10 миллиардов лет тому назад, когда все вещество и вся энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке с плотностью свыше 10²⁵ г/см³ и температурой свыше 10¹⁶ К. Такое представление соответствует модели "Горячей Вселенной".

 Модель Большого Взрыва была предложена в 1948 г. нашим соотечественником, физиком Георгием Гамовым. В свое время Г. Гамов, блестящий теоретик (учился в ЛГУ вместе с Л. Ландау, Н. Козыревым), до Великой Отечественной войны был самым молодым членом-корреспондентом АН СССР, затем эмигрировал на Запад и в связи с этим обстоятельством научные достижения замалчивались советской официальной наукой.

 Вместе с тем, нельзя не отметить, что именно Г. Гамову принадлежат по крайней мере три научных результата "нобелевского ранга": упомянутая выше модель Большого Взрыва, предсказание температуры реликтового излучения и генетического кода ДНК. Кроме того он был отличным популяризатором науки и опубликовал более 20 прекрасных научных книг.

В основе концепции Большого Взрыва лежит положение о наличии некоторого первоначального "сгустка" "первовещества", обладающего колоссальной первоначальной энергией, который, собственно, и "взорвался".

Однако Г.Гамов не прояснял, как именно этот сгусток образовался, откуда взялось такое гигантское количество изначальной энергии. Наличие этого сгустка и этой энергии Г.Гамов принял постулативно. К числу этих постулатов относилось и то обстоятельство, что именно огромное радиационное давление внутри этого сгустка и привело в конечном счете к необычайно быстрому его расширению, именно - Большому Взрыву. Составные части этого сгустка, разлетевшиеся с максимальными относительными скоростями, теперь образуют далекие галактики, очень быстро удаляющиеся от нас, и мы наблюдаем их сейчас такими, какие они были примерно 2·10⁹ лет тому назад.

 Таким образом, факт расширения Вселенной оказывается естественным следствием именно этого Большого Взрыва. Заметим в этой связи, что открытие расширяющейся Вселенной и принятие научным сообществом этого факта можно считать огромным мировоззренческим прорывом в интеллектуальном мире.

Гамов теоретически предположил, что все элементы Вселенной образовались в результате ядерных реакций в первые моменты после Большого Взрыва. Дальнейшие уточнения этой теории показали, что ядерные реакции действительно имели место, но в результате их могло быть образование лишь гелия.

 Спектр гелия наблюдался в солнечном излучении до того, как он был обнаружен на Земле, отсюда и название этого элемента от греческого Гелиос - Солнце.

Современные методы анализа излучения звезд и галактик показали, что почти все они состоят из водорода - (60%) и гелия (20%). Однако лишь малая часть водорода и гелия содержится в самих звездах, остальное же их количество распределено в межзвездном пространстве. В звездах, где температура исключительно велика, атомы полностью ионизированы и составляют высокотемпературную плазму. В межзвездном же пространстве водород и гелий находятся в основном в атомарном состоянии. Таким образом теория Большого Взрыва хорошо согласуется с наблюдаемой распространенностью гелия во Вселенной.

Вместе с тем существуют вполне определенные гипотезы объяснения образования вышеупомянутого сгустка. В этой связи предполагается, что вышеназванные межзвездные атомы водорода и гелия служат сырьем для образования новых звезд. Заметим также, что распределение газа в межзвездном пространстве неоднородно. Средняя концентрация вещества в нашей Галактике - 1 атом/см³, однако имеются сильные флуктуации. Эти флуктуации плотности объясняются хаотическим движением атомов в пространстве. Случайно плотность вещества в определенной области может существенно превысить среднюю. При этом предполагается, что если количество вещества превысит в какой-либо области критическое значение, порядка 1000 солнечных масс, то в этой области возникают достаточно сильные гравитационные поля, способные противостоять разлету газового облака и стремящиеся сжать его до возможно меньших размеров.

Именно на таких теоретических основаниях и возникает гипотеза образования вышеназванного сгустка из межзвездной пыли вследствие ее гигантского уплотнения, что впоследствии и привело собственно к взрыву.

Наиболее важным подтверждением теории Большого Взрыва следует считать обнаружение так называемого реликтового излучения, как раз и связанного, по-видимому, с существованием первоначального сверхплотного сгустка вещества и излучения.

 Название "реликтовое излучение" ввел советский астрофизик И. Шкловский. Первоначально, как представляется, это излучение представляло собой лучи, которые обладали огромной энергией, но расширение и охлаждение сгустка привели к тому, что излучение также "остыло" и энергия фотонов уменьшилась, то есть возросла длина их волны. Это излучение и сейчас существует во Вселенной, но теперь уже в виде радиоволн, микроволнового и инфракрасного излучения. Г.Гамов как раз и рассчитал температуру реликтового излучения. По его расчетам она составляет 3 K, согласно же современным данным - 2,7 К.

Рассматривая такой сгусток вещества и излучения, мы должны понимать, что его нельзя рассматривать как бы со стороны, с далекого расстояния, и считать, что он расширяется по направлению к нам (или от нас). Этот сгусток есть не что иное, как сама Вселенная, и Земля находится внутри нее, так что внутри сгустка при расширении его все остальное вещество во Вселенной движется в направлении от Земли, или от любого куска вещества в этом сгустке. Поэтому излучение сгустка "бомбардирует" Землю со всех сторон. Отсюда любой наблюдатель во Вселенной должен регистрировать это излучение с равной интенсивностью с любого направления в пространстве.

Так как расширение продолжается ~10¹⁰ лет, то огромная начальная температура должна была уменьшиться, согласно теории, к настоящему времени до средней температуры Вселенной порядка 3 К, а максимум в распределении длин волн, соответствующий излучению источника с такой температурой в 3 K, должен приходиться на длину волны порядка 0,1 см.

 Это означает, что если теория Большого Взрыва верна, то должны экспериментально наблюдаться два эффекта: спектр излучения Вселенной должен соответствовать равновесному излучению при 3 K и это излучение должно приходить с равной интенсивностью с любого направления в пространстве, то есть быть изотропным.

 Начиная с 1965 г. проводились многочисленные измерения, обнаружившие космические радиоволны с малой энергией, которые можно интерпретировать как равновесное излучение остывшего, но все еще расширяющегося сгустка, причем с длиной волны, соответствующей как раз температуре равной 3 K. Таким образом, были получены некоторые экспериментальные доказательства справедливости теории Большого Взрыва.

Если считать, что эксперименты подтверждают нынешнее расширение Вселенной, то будет ли она продолжать расширяться и дальше?

Общая теория относительности предполагает следующий ответ на этот вопрос. Считается, что существует некая критическая масса Вселенной. Если действительная масса Вселенной меньше критической, гравитационного притяжения вещества во Вселенной будет недостаточно, чтобы остановить это расширение, и оно будет идти и дальше. Если же действительная реальная масса больше критической, то гравитационное притяжение в конце концов замедлит расширение, приостановит его и затем приведет к сжатию. В этом случае Вселенную ожидает коллапс (своего рода "Большой Треск"), в результате которого вновь образуется изначальный сгусток. Тем самым снова будут готовы условия для нового Большого взрыва и последующего потом расширения. Следовательно, Вселенная может пульсировать между состояниями максимального расширения и коллапса. Это и есть модель пульсирующей Вселенной.

Что же дают эксперименты?

 Эксперименты такого рода, конечно, не простые и, скорее, оценочные, так как кроме определения массы Вселенной в виде вещества и энергии в звездах, галактической пыли и газе необходимо учитывать также вещество и в межгалактическом пространстве. А вот с этим-то как раз и возникает большая неопределенность.

 Прямые эксперименты затруднены здесь тем, что межгалактический водород почти полностью ионизирован излучением галактик и квазизвездных объектов (квазаров). Поэтому для регистрации ионизированного водорода необходимы рентгеновские методы измерения, причем, вне пределов атмосферы Земли, чтобы избежать эффектов поглощения ею указанного излучения. Как показывают измерения с помощью ракет и спутников, а также предварительные расчеты, полная масса Вселенной с учетом межгалактического вещества значительно превышает критическую. Это означает, что модель пульсирующей Вселенной как будто бы подтверждается. Получается, что мы живем в такой вселенной, которая взрывается, расширяется и снова сжимается примерно каждые 80 миллиардов лет.

Рассмотрим, каким же предполагается поведение горячей Вселенной, расширяющейся после своих родов во время Большого Взрыва.

 Известный советский теоретик Я.Б. Зельдович, занимавшийся в том числе и астрофизикой, заметил, что теория Большого Взрыва в настоящий момент не имеет сколько-нибудь заметных логических недостатков. Она столь же надежно установлена и верна, сколь верно и то, что Земля вращается вокруг Солнца. Обе теории занимали центральное место в картине мироздания своего времени и обе они имели многих противников, утверждавших, что новые идеи, изложенные в них, абсурдны и противоречат здравому смыслу.

Однако успех модели расширяющейся Вселенной связан не только с экспериментальными подтверждениями, но и с тем, что у нее оказалась глубокая связь с теориями физики микромира, в том числе и физики элементарных частиц, благодаря чему оказалось возможным непротиворечиво объяснить поведение "ранней" Вселенной, причем, как это не парадоксально звучит, буквально по долям микросекунд (и даже более того, отсчет идет от 10^–43 с).

Таким образом, по существу сейчас возникла новая наука -космомикрофизика. Именно в космомикрофизике объединяются не только космологические модели Большого Взрыва, расширяющейся и пульсирующей Вселенной, но также и строение материи в виде элементарных частиц и понятия устойчивости-неустойчивости материи, ее симметрии-асимметрии, самоорганизации и эволюции. Модель горячей Вселенной описывает ее в этом смысле, как "котел кипящих элементарных частиц".

Каков же сценарий, как любят говорить космологи, развития событий по моделям Большого Взрыва и горячей Вселенной?

 Сразу же после Большого Взрыва Вселенная стала представлять собой огненный шар из элементарных частиц и фотонов (свет) огромных энергий со взаимными превращениями. Далее Вселенная стала расширяться с уменьшением своей плотности и температуры. При предполагаемых громадных плотностях (~10²⁵ г/см³) и температурах (~10¹⁶ К) вещество может состоять только из элементарных частиц - протонов и нейтронов. Эти частицы движутся так быстро, что при своих столкновениях образуются пары новых частиц (частица-античастица). Вообще же говоря, чем выше температура Вселенной, тем более тяжелые частицы могут рождаться при таких столкновениях.

Здесь предполагается, что качественный состав элементарных частиц, образующих новую Вселенную непременно изменяется при ее расширении. Когда Вселенной "исполнилось" 10^–43 с, все ее фундаментальные взаимодействия в природе были объединены и имели одинаковую интенсивность.

Через 10^–23 с наступило время уже тяжелых частиц, точнее того, из чего они состоят, - из кварков. В это время вся Вселенная состояла из кварков и антикварков. По мере уменьшения температуры и с ростом времени уменьшалось число пар этих тяжелых частиц и за счет аннигиляции они быстро исчезали.

 Далее, еще через 10^–2 с после Большого Взрыва наступает время легких частиц. Вселенная как бы "омолодилась" и практически стала состоять из легких частиц - лептонов и частиц излучения (фотонов).

Еще дальше во времени (1-20 с) Вселенная, расширяясь дальше, теряет и эти частицы. При аннигиляции они превращаются в фотоны. Фотонам же не хватает энергии, чтобы образовать электрон-позитронную пару, и поэтому процессы излучения начинают преобладать над процессами формирования самих частиц.

Через 100 с жизни Вселенной ее температура упала до 109 К и скорости оставшихся протонов уменьшились настолько, что за счет ядерных сил притяжения они начинают соединяться в ядра легких элементов, в основном гелия, затем - лития и бериллия.

 По прошествии нескольких часов после Большого Взрыва образование этих ядер закончилось. Этот период эволюции получил название времени нуклеосинтеза. А дальше счет пошел уже на миллионы лет. Вселенная продолжала расширяться и охлаждаться. При этой энергии у фотонов было значительно больше сил связи, чем у электронов и ядер, и поэтому атомы пока не могли образоваться.

Но затем при уменьшении температуры до 3000 К энергия электромагнитного притяжения ядер и электронов становится уже больше энергии фотонов, и тогда начинают образовываться атомы водорода и гелия. Фотоны перестали взаимодействовать с веществом, и как говорят космологи, Вселенная стала "прозрачной".

 Предполагается, что с тех дальних времен до наших дней эти фотоны (это излучение) и заполняют нашу Вселенную. За это время температура упала с 3000 К до 3 К. Это и есть реликтовое излучение, о котором уже говорилось выше. Таким образом, можно считать, что реликтовое излучение несет нам информацию о той молодой Вселенной, когда ей исполнилось "всего" 1 миллион лет. Теперь в рамках модели расширяющейся Вселенной можно построить схему физической истории Вселенной:

В начальный период времени "прозрачная" Вселенная была однородным "бульоном" из элементарных частиц, ядер, атомов и фотонов. Затем флуктуационно стали возникали области, где плотность материи оказывалась несколько выше. Это, в свою очередь, приводило к увеличению гравитационного притяжения в этих областях, а значит и к отставанию этих областей от общего темпа расширения Вселенной. Атомы и частицы в этих областях испытывали большое число столкновений (объем-то уменьшился!), газ разогревался, шли термоядерные реакции. Давление внутри области стало возрастать и область перестала сжиматься.

Вместе с тем, заметим, что хотя теория Большого Взрыва в целом и оправдывает доверие научного мира, но все же некоторые обстоятельства она принципиально объяснить не может. Так, она, например, не может объяснить конкретную причину того "первотолчка", который как раз и привел к Большому Взрыву. Кроме того, на основании указанной концепции нельзя объяснить, почему мощность взрыва была именно такой, какой была, то есть не больше и не меньше, где скорость разлета, и плотность вещества оказались очень близкими к их критическим значениям. Теория не может также объяснить причину крупномасштабной однородности Вселенной, хотя одновременно в меньших масштабах она допускает наличие в прошлом отклонений от однородности, которые и привели впоследствии к возникновению галактик. При этом предполагается, что расширение происходит с большой степенью однородности и изотропности, а удаленные друг от друга неоднородности причинно между собой не связаны.

Частично эти вопросы снимает еще одна современная модель – теория так называемой "раздувающейся" Вселенной . Эта модель предполагает некоторое хаотическое раздувание всей Вселенной в период времени от 10^–43 до 10^–32 с, и в этом смысле данная теория принципиально связана с физическим понятием вакуума. Заметим, что проблема вакуума сейчас становится одной из центральных в физике. Согласно этим идеям, Вселенная начала свою жизнь именно из состояния вакуума, лишенного вещества и излучения.

С точки зрения современных научных представлений, вакуум есть особый тип физической реальности, наиболее фундаментальное состояние материи, особое "ничто", скрытое бытие, содержащее в потенции всевозможные частицы и при сообщении энергии этому вакууму из него можно извлечь любые частицы и объекты, в том числе не только нашу Вселенную, но и другие вселенные.

Согласно этой модели предполагается, что Вселенная родилась 15-18 миллиардов лет тому назад из вакуума путем спонтанного (самопроизвольного) нарушения его симметрии. Получается, что Вселенная как бы самозародилась.

Вот что говорил по этому поводу Я.Б. Зельдович: "Понятие классической космологической сингулярности должно быть существенным образом заменено квантово-гравитационным процессом, описывающим рождение нашего мира. Предполагается, что в начальном состоянии не было ничего, кроме вакуумных колебаний всех физических полей, включая гравитационное. Поскольку понятия пространства и времени являются существенно классическими, то в начальном состоянии не было реальных частиц, реального метрического пространства и времени. Считаем, что в результате квантовой флуктуации и образовалась трехмерная геометрия... Кроме того, на этой стадии из вакуумных флуктуации негравитационных полей рождаются флуктуации плотности вещества, которые значительно позже, в близкую нам эпоху, приводят к образованию скоплений галактик, нашей Галактики, звезд и в конечном итоге планет и самой жизни".

В этой связи стоит также отметить, что модель раздувающейся Вселенной еще раз обращает нас к глобальной мировоззренческой проблеме - проблеме множественности миров. В частности, один из создателей модели Расширяющейся Вселенной А.Д. Линде отмечает: "Привычный взгляд на Вселенную как на нечто в целом однородное и изотропное 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 галактиках. Из вышесказанного следует, что другие галактики могут иметь совершенно другие свойства и взаимодействовать (говорить) на совершенно иных принципах. И дело здесь не в изменении нашего мышления для возможности понимания другой Вселенной, а в изменении самой структуры, пространственной ориентировки, размерности материального мира.

Заключение

В исторической развитии человеческого познания действительности можно выделить три мировоззренческие научные программы: Платона, Аристотеля и Демокрита.

 Первую научную программу можно также назвать также и математической, так как она во многом определила путь развития естествознания в плане постижения им количественных закономерностей бытия. В ее основе так или иначе лежит идея Пифагора о том, что "числа - суть вещей", что впоследствии было дополнено Платоном в виде – "Бог - это геометр". Существенной частью этой научной программы явилось и платоновское понятие материи как пространства, а также - принципов множественности и математического континуума. Соответственно, и естествознание, разработанное на основе платоновской программы, должно было носить математический характер.

 Платон признавал материальный мир состоящим из четырех субстанций (огня, воздуха, воды и земли) и приписывал частицам, из которых они состоят, различную геометрическую форму в виде многогранников: для огня - тетраэдров, воздуха - октаэдров, воды - икосаэдров, земли - кубов, то есть вводил в теорию тем самым абстрактные топологические понятия.

Конечно, это было связано прежде всего с идеалистическими представлениями Платона о том, что материальный мир бытия является лишь отражением мира идей.

 Научная программа Аристотеля принимает в себя то положение, что предметом истинного, научного знания может быть лишь единое, неизменное бытие - идея, или форма. Первое и есть материя, второе - форма, или "составное", то есть то, что состоит из материи или формы (таковы по Аристотелю, все сущие вещи и существа за исключением Бога – вечного двигателя, который есть чистая "форма форм" и материи - непричастен).

 Аристотель предполагал, что Мир представляет собой вращающийся Космос и его движение началось в каком-то малом объеме пространства от первоначального толчка,

После Аристотеля в эпоху эллинизма понятие материи разрабатывается в школах стоиков и неоплатоников. Стоики сводили все сущее к материи, неоплатоники же, наоборот, - все сводили к идее - форме, что позволяло теоретически дедуцировать мироздание из одного источника.

Для стоиков все бытие – едино. Все, что существует, составляет вселенную, космос, который поэтому тоже един и единствен. Материя представляет собой бескачественное тело, или бескачественную сущность, она инертна (бессильна) и неподвижна, но вечна - не возникла и не подлежит разрушению, сохраняя неизменным свое количество.

Учение о материи, отличное от стоического, разрабатывается в неоплатонизме. Согласно общей для всех неоплатоников иерархической схеме, первоначалом всего является Единое. Единое - источник бытия, которое составляет следующую ступень в неоплатонической иерархии и называется по- разному: бытием, истинно сущем Умом, умопостигаемым миром или идеями.

Третья научная мировоззренческая программа в науке сформировалась на основе атомистического учения о материальном мире. Из атомистической теории следует и определение материи, как вечно движущиеся в пустоте атомы, которые неделимы и отличаются друг от друга внешними чертами: число атомов как и форм бесконечно, новые тела и формы образуются от сложения атомов, а уничтожение их происходит от разложения их на атомы. Этой атомистической программе был присущ жесткий детерминизм, сохраненный впоследствии и в механике Галилея -Ньютона, то есть любое движение материи предполагалось, как необходимое, обусловленное какими-то внешними причинами. Случайность же при этом полностью исключалась из картины мира.

Дальнейшее развитие миропонимания при переходе к количественному описанию процессов движения материи шло через механические представления о природе. Это было связано прежде всего с именем Галилея, который объединил физику и математику, ввел основные характеристики движения - понятия инерции, системы отсчета, ускорения как причины движения, принцип относительности и ряд других параметров движения.

 Роджер Бэкон не только указал значимость опыта, но и сам много экспериментировал. Сформировалось представление и надолго (около 200 лет!), что классическая механика как часть физики может объяснить все возможные явления в природе.

 Такой взгляд привел к возникновению в целом в XVIII веке рационализма, как рационального научного подхода, логично и правильно описывающего, как тогда казалось, окружающий мир.

Однако впоследствии было выяснено, что классическая механика справедлива лишь в определенных пределах, то есть при скоростях распространения взаимодействия, значительно меньших скорости света.

 Физическое понятие материи стало складываться в связи со становлением экспериментального естествознания XVII в. под влиянием как философских представлений, так и под влиянием данных эксперимента.

К началу XX в. понятие материи как носителя массы, отличного от силы и энергии, с одной стороны, от пространства и времени, с другой, формируется прежде всего благодаря работам Фарадея (экспериментально) и Максвелла (теоретически). Было показано, что существуют электромагнитные поля (в том числе и в вакууме) и именно они передают электромагнитные колебания.

 Так после механической картины сформировалась новая к тому времени электромагнитная картина мира. Ее можно рассматривать как промежуточную по отношению к современной естественнонаучной картине мира.

Учение о материи стало включать в себя не только представления о полях, но и появившиеся новые данные об электронах, фотонах, ядерной модели атома, закономерностях химического строения веществ и расположения элементов в периодической системе Менделеева и ряд других результатов по пути познания природы. Стали входить в эту концепцию также идеи квантовой механики и теории относительности, где прежде всего необходимо отметить принципы относительности и корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому любой материальный объект характеризуется наличием как относительных – корпускулярных и волновых свойств. В квантовой механике эти два последних описания являются абсолютно необходимыми, так как только таким образом и возможно на макроязыке квантовой механики описать объективно существующие закономерности микромира.

Литература:

I. Основная

1.   ** Линднер Г. Картины современной физики. М., 1971.

2.   ** Пахомов Б.Я. Становление современной физической картины мира. М., 1985.

3.   ** Потев М.И. Концепции современного естествознания. СПб., 1999.

4.   ** Хокинг С. От большого взрыва до черных дыр. М., 1990.

** Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1974.

1.   * Концепции современного естествознания / Под ред. С.И. Самыгина. Ростов н/Д, 2001.

2.   ** Лучшие рефераты. Концепции современного естествознания. Ростов н/Д, 2002.

3.   * Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. М., 2002.

4.   ** Скопин А.Ю. Концепции современного естествознания. М., 2003.

5.   * Соломатин В.А. История и концепции современного естествознания. М., 2002.