Вселенная

 

СОДЕРЖАНИЕ

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Введение

      Во все времена люди хотели знать, как    возник наш мир. Когда в куль-туре 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 Богом мира из ничего.

    С появлением науки в ее современном  понимании на смену мифологическим и религиозным приходят научные  представления о происхождении Вселенной. Следует разделять три близких термина: бытие, универсум и Вселенная. Первый является философским и обозначает все существующее, бытующее. Второй употребляется и в философии, и в науке, не имеет специфической философской нагрузки (в плане противопоставления бытия и сознания) и обозначает все как таковое.

    Значение  термина «Вселенная» уже и  приобрело специфически научное звучание. Вселенная — место вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению. Постепенное сужение научного значения термина «Вселенная» вполне понятно, так как естествознание, в отличие от философии, имеет дело только с тем, что эмпирически проверяемо современными научными ме-тодами.

    Вселенную в целом изучает космология — наука о космосе. Слово это тоже неслучайно. Хотя сейчас космосом называют все, находящееся за пределами атмосферы Земли, так было не всегда. В Древней Греции космос понимался как «порядок», «гармония», в противоположность хаосу — «беспорядку». Таким образом, космология в основе своей, как и подобает науке, постигает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.

    Это изучение зиждется на нескольких предпосылках. Во-первых, форму-лируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной. Во-вторых, производимые астрономами наблюдения признаются распространимыми на всю Вселенную. И, в-третьих, истинными признаются только те выводы, которые не противо-речат возможности существования самого наблюдателя, т.е. человека (так называемый антропный принцип).

    Выводы  космологии называются моделями происхождения  и развития Вселенной. Почему моделями? Дело в том, что одним из основных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом. Только если можно провести бесконечное в принципе количество экспериментов и все они приводят к одному результату, на их основе можно сделать заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. Лишь в этом случае результат считается вполне достоверным с научной точки зрения.

    Ко  Вселенной в целом это методологическое правило неприменимо. Наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. В связи с этим противоречием все заключения о происхождении и развитии Вселенной считаются не законами, а лишь моделями, т.е. возможными вариантами объяснения. Строго говоря, все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями. Модели Вселенной в большей степени модели, чем многие иные научные утверждения. 
 
 
 
 
 
 

    1. Модель расширяющейся Вселенной

    Наиболее  общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной А.Эйнштейном в 1916 г. В основе этой модели лежат два предположения: 1) свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность); 2) наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения А.Эйнштейна. Из этого следуют так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, называется релятивистской.

    Важным  пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности: 1) принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; 2) экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.

    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 А. А. Фридман. Эмпирическим подтверждением этого вывода стало открытие в 1929 г. американским астрономом Э.Хабблом так называемого «красного смещения».

    «Красное  смещение» — это понижение  частот электромагнитного излучения, когда в видимой части спектра  линии смещаются к его красному концу. 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.

    «Красное  смещение» было зафиксировано для всех далеких источников света, причем чем дальше находился источник, тем в большей степени оно было выражено. «Красное смещение» оказалось пропорционально рассто-янию до источника, что и подтверждало гипотезу об их удалении, т. е. о рас-ширении Метагалактики — видимой части Вселенной. Открытие «красного смещения» позволило сделать вывод о разбегании галактик и расширении Вселенной.

    «Красное  смещение» подтверждает теоретический вывод о нестацио-нарности области нашей Вселенной, имеющей линейные размеры порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении по меньшей мере нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.

    Если  Вселенная расширяется, значит она возникла в определенный момент времени. Как это произошло? Составной частью модели расширяя-ющейся Вселенной является представление о Большом взрыве, происшед-шем примерно 12—18 млрд лет назад. 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 устреми-лась прочь от любой другой частицы.

    Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка) — бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрыв-ное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино).

    Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 г. реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной. Предсказание реликтового излучения было следствием модели Большого взрыва и расширяющейся Вселенной, а его обнаружение — подтверждением данного следствия. Слово «реликтовое» здесь не случайно — по остаткам древних животных заключают о том, что они существовали.

    Возникает интересный вопрос: из чего же образовалась Вселенная? Чем было то, из чего она возникла? В Библии утверждается, что Бог создал все из ничего. Зная, что в классической науке сформулированы законы сохранения материи и энергии, религиозные философы спорили о том, что значит библейское «ничего», и некоторые в угоду науке полагали, что под «ничем» имеется в виду первоначальный материальный хаос, упорядоченный Богом.

    Как это ни удивительно, современная  наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что все могло создасться из ничего. «Ничего» в научной терминологии называется вакуумом. Вакуум, который физика XIX в. считала пустотой, по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях «рождать» вещественные частицы.

    Современная квантовая механика допускает, что  вакуум может прихо-дить в «возбужденное состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспери-ментами) — вещество, и это не противоречит теории.

    Рождение  Вселенной из «ничего» означает с  современной научной точки зрения ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствии частиц происходит случайная флуктуация. Если число фотонов равно нулю, то напряженность поля не имеет определенного значения (по «принципу неопределенности» В. Гейзенберга): поле постоянно испытывает флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряженности равно нулю.

    Флуктуация  представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, участвуя при этом во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.

    Итак, Вселенная могла образоваться из «ничего», т.е. из «возбужденного вакуума». Такая гипотеза, конечно, не является подтверждением существования Бога. Ведь все это могло произойти в соответствии с законами физики естественным путем без вмешательства извне каких-либо идеальных сущностей. И в этом случае научные гипотезы не подтверждают и не опровергают религиозные догмы, которые лежат по ту сторону эмпирически подтверждаемого и опровергаемого естествознания.

    На  этом удивительное в современной  физике не кончается. Отвечая на просьбу журналиста изложить суть теории относительности в одной фразе, А.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 исчезли бы также пространство и время». Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.

    Отметим, что теория относительности соответствует  двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства—времени отрицательна или в пределе равна нулю. В этом варианте все расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна положительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относительности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной.

    „ Досужий ум неизбежно задается вопросом: что же было тогда, когда не было ничего и что находится за пределами расширения? Первый вопрос, очевидно, противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Астроном может сказать, что как ученый он не вправе отвечать на такие вопросы. Но поскольку они все же возникают, формулируются и возможные обоснования ответов, которые являются не столько научными, сколько натурфилософскими.

    Так, проводится различие между терминами  «бесконечный» и «безграничный». Примером бесконечности, которая не безгранична, служит поверхность Земли: мы можем идти по ней бесконечно долго, но тем не менее она ограничена атмосферой сверху и земной корой снизу. Вселенная также может быть бесконечной, но ограниченной. С другой стороны, известна точка зрения, в соответствии с которой в материальном мире не может быть ничего бесконечного, потому что он развивается в виде конечных систем с петлями обратной связи, которыми эти системы создаются в процессе преобразования среды.