Происхождение Вселенной, Солнечной системы и Земли. Мир глазами современной науки - Владимир Воронцов

Хаббл обнаружил, что чем дальше от нас находятся галактики, тем с большей скоростью они удаляются. Некоторые галактики удаляются от нас со скоростью 1 тыс. км/с, другие, находящиеся вдвое дальше, со скоростью 2 тыс. км/с и т. д.

Эта закономерность послужила основанием для формулировки ещё одного космологического закона, закона красного смещения, или закона Хаббла. Он гласит, что оптические линии в спектрах Галактик смещены в красную область, причём смещение тем больше, чем дальше находится Галактика4. (Закон Хаббла указывает на то, что начиная с некоторого расстояния, называемого хаббловским, галактики удаляются со сверхсветовой скоростью. Исходя из величины постоянной Хаббла, это расстояние составляет 13,7 млрд световых лет) (Линевивер, 2005).

1.2 Стандартная модель происхождения Вселенной (теория Большого взрыва)

Данное открытие совершило настоящий переворот в космологии. Стало ясно, что Вселенная не статична, а движется в направлении расширения. А это, в свою очередь свидетельствовало в пользу того, что она имела начало и когда-то была сконцентрирована (сжата) в одной области, или точке, о чём говорили Фридман и Леметр. Но что за сила толкает Вселенную и заставляет галактики двигаться в пространстве? Самым простым решением этого вопроса было постулирование гигантского толчка, действие которого породило и привело в движение всю материю Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня. Так на свет появилась знаменитая теория Большого взрыва. Суть её заключается в следующем: вначале всё вещество, из которого образовалась Вселенная, было сосредоточено в точечном объёме предельной плотности, в так называемом первобытном атоме5. Такое состояние Вселенной называется сингулярностью. Стадия сингулярности была чрезвычайно короткой, после чего Вселенная начала быстро расширяться, – это и есть тот самый Большой взрыв6, в результате которого стали образовываться первые известные нам атомы (водород, гелий, немного лития и бериллия). Атомы продолжали своё прямолинейное движение от центра Взрыва. В ходе этого движения стали образовываться сгущения в виде более плотных облаков газов, которые служили центрами гравитационного притяжения для других облаков. Так образовывались протогалактические облака, из которых впоследствии под действием той же гравитации начался процесс формирования звёзд и галактик. В скоплениях атомов протогалактических облаков рождались звёзды первого поколения. В них происходили реакции термоядерного синтеза, в ходе которых водород превращался в гелий. Самые крупные звёзды после истощения запасов водорода взрывались. При этом давление и температура в недрах звезды достигали колоссальных величин. Это создавало необходимые условия для синтеза тяжёлых элементов. Все тяжёлые элементы могли образоваться только во время таких взрывов. Взрыв звезды не только создавал тяжёлые элементы, но и рассеивал их в пространстве. Из новых скоплений атомов образовывались звёзды второго поколения, планеты и другие космические тела. Так в общих чертах выглядит стандартная теория Большого взрыва (Груздев, 2007; Ксанфомалити, 2005; Левин, 2007; Музыка, 2005).

В процессе её разработки у учёных возникли разногласия относительно того, каким было начальное состояние Вселенной: «горячим» или «холодным».

1.2.1 Модель «горячего» начала Вселенной (1946 г.). Американский физик (советского происхождения) Георгий Гамов (1904—1968) полагал, что «первобытный атом» состоял из сильно сжатых нейтронов, плотность которых достигала чудовищной величины: один кубический сантиметр первичного вещества весил миллиард тонн. В результате Взрыва этого «первоатома», по мнению Гамова, образовался своеобразный космологический котёл с температурой порядка 30000000000°К (через долю секунды после начала расширения), где и произошёл естественный синтез химических элементов. При такой температуре, по расчётам Гамова, нейтроны распадались и образовывались протоны, которые, в свою очередь, соединившись с нераспавшимися нейтронами, образовали ядра гелия. Из оставшихся протонов формировались атомы водорода. В итоге в Большом взрыве образовалось около 30% гелия и 70% водорода, – именно такой состав давал спектральный анализ большинства звёзд

1.2.2 Модель «холодного» начала Вселенной (1961 г.). Советский физик, академик Яков Зельдович (1914—1987), напротив, считал, что в начальной стадии Вселенная была холодной и состояла из протонов, электронов и нейтрино. Только в холодном состоянии и только в присутствии нейтрино протоны и электроны могли «слипнуться» в атомы водорода, который, как известно, преобладает в природе. Будь на месте нейтрино нейтроны, наш мир состоял бы в основном из гелия и других элементов, более тяжёлых, чем водород. Действительность, таким образом, поддерживала точку зрения Зельдовича. Зельдович смоделировал и первые этапы расширения Вселенной, во время которых массы водорода (настолько холодные, что он был жидким или даже твёрдым) могли распасться на отдельные гигантские капли или глыбы. Разлетаясь во все стороны и снова притягиваясь друг к другу, они постепенно сливались, образуя зародыши звёзд, а затем и сами звёзды.

Некоторое время обе версии – «горячего» и «холодного» рождения Вселенной – существовали в космологии на равных, имея и сторонников, и критиков. Дело оставалось за малым: следовало подтвердить их наблюдениями. «Горячая» модель Вселенной предполагала, что нагретое вещество должно было «светиться» – испускать электромагнитные волны. Гамов предположил, что они должны наблюдаться и в современную эпоху в виде слабых радиоволн, и даже предсказал температуру этого излучения – примерно 5—6°К.

И вот в 1965 г. американские радиоинженеры Арно Пензиас и Роберт Уилсон зарегистрировали космическое излучение, которое нельзя было приписать никакому известному тогда космическому источнику. Температура этого излучения равнялась 2,7°К. Учёные пришли к выводу, что это излучение не что иное, как реликт тех далёких времён, когда Вселенная была фантастически горяча. После этого открытия выбор был сделан в пользу «горячего» рождения Вселенной. Именно эта модель Вселенной обрела статус общепризнанной и получила дальнейшее развитие.

2. Анализ теорий происхождения вселенной

Когда в учебниках описывается стандартная модель Большого взрыва, у читателя создаётся впечатление, что учёные сумели досконально восстановить чуть ли не все этапы образования Вселенной и что Большой взрыв – это непререкаемая истина, против которой не существует никаких возражений. Однако если мы заглянем в специальную литературу, то с удивлением обнаружим, что перед данной теорией поставлено гораздо больше вопросов, чем с её помощью получено ответов. А из тех ответов, которые даны, едва ли найдётся хотя бы несколько, которые можно признать удовлетворительными.

2.1 Вселенная из «ничего». Инфляционная модель Большого взрыва

Первый вопрос, который можно поставить перед теорией Большого взрыва, касается происхождения и состава «первобытного атома», из которого образовалась Вселенная. Как мы уже отметили, в ранних моделях Большого взрыва предполагалось, что такой атом состоял из сильно сжатых частиц: либо из нейтронов (по Гамову), либо из протонов, электронов и нейтрино (по Зельдовичу). Но откуда взялись эти частицы и каким образом они оказались сжатыми в невероятно малый объём? Постулирование существования чего-то до того, как всё началось, разумеется, вызывает лишь недоумение.

В качестве решения этой проблемы в 1980 г. сотрудником Массачусетского технологического института Аланом Гутом была предложена инфляционная модель Большого взрыва. Согласно этой модели для возникновения Вселенной не нужно никакого исходного вещества: Вселенная возникла из вакуумного пузыря, т.е. в буквальном смысле из «ничего» (Девис, 1989).

Понять самопроизвольное возникновение чего-либо из «ничего» довольно сложно, однако считается, что такое вполне возможно. Согласно квантовой теории то, что остаётся после удаления частиц материи (к примеру, из закрытого сосуда с помощью вакуумного насоса), вовсе не является пустотой в буквальном смысле слова, как это считалось в классической физике. Хотя вакуум не содержит обычных частиц, он насыщен так называемыми виртуальными тельцами. Чтобы их превратить в настоящие частицы материи, достаточно возбудить вакуум, например, воздействовав на него электромагнитным полем, создаваемым внесёнными в него заряженными частицами.

Квантовая физика рассматривает вакуум как объект, насыщенный энергией, причём плотность энергии «пустого пространства», согласно расчётам, превышает всю энергию вещества Вселенной (рассчитанную по формуле Е=mс2) в 10120 раз (если ввести некоторые ограничения, то получим 1055 раз, от чего не легче)! Теоретические исследования указывают и на совершенно фантастическое, с точки зрения здравого смысла, свойство вакуума: он должен иметь отрицательное давление, причём плотность его энергии при расширении остаётся, как ни странно, постоянной (в противоположность газовой среде, давление которой положительно и падает с расширением) (Ксанфомалити, 2005).