Космология: открития и мистерии
Космологията е специална наука. Негов предмет е цялата Вселена, разглеждана като единно цяло, като физическа система с особени свойства, които не могат да бъдат сведени до сумата от свойствата на обитаващите я астрономически тела и физически полета. Размерът на наблюдаваната Вселена е приблизително 10 милиарда светлинни години. Това е най-големият научен обект по пространствен мащаб. Освен това съществува в един екземпляр. В това отношение космологията очевидно е много различна от другите естественонаучни дисциплини. Но, както във всяка наука, основното в космологията са надеждно установените факти, надеждна информация за реални обекти, процеси и явления. Статията на известни руски астрофизици говори за четири големи открития в космологията и трудни мистерии на тази наука - както стари, така и съвсем скорошни, които все още не са разрешени
Колкото по-далеч, толкова по-бързо
Съвременната космология датира от първите десетилетия на двадесети век. През 1915-1917г Американският астроном Весто Слайфър откри, че галактиките (които тогава се наричаха мъглявини) не стоят неподвижни, а се движат в пространството, като повечето от тях се отдалечават от нас. Това заключение произтича от наблюденията на спектрите на галактиките: тяхното движение се проявява в изместване на спектралните линии към червения край на спектъра.
От такъв вид червено отместване, което може да се тълкува като отдавна познатия във физиката ефект на Доплер, има, както по-късно се оказа, универсален характер: той се наблюдава във всички галактики във Вселената. Единствените изключения са звездните системи, които са най-близо до нас, например известната мъглявина Андромеда и други (по-малки) галактики, разположени на разстояния, които не надвишават приблизително 1 мегапарсек (1 Mpc ≈ 3,26 милиона светлинни години). Ако разстоянията са по-големи от 1 Mpc, тогава галактиките, както казва Слайфър, „се разпръскват в пространството“.
През 1929 г. друг американски изследовател, Едуин Хъбъл, често наричан най-великият астроном на 20-ти век, установи, че движението на разминаващите се галактики следва прост закон: скорост Vразстоянието на една галактика от нас е пропорционално на разстоянието Рпред нея: V = H R.Тази връзка между скорост и разстояние сега се нарича Закон на Хъбъл, и коефициентът на пропорционалност з– Константа на Хъбъл. величина зпостоянна в смисъл, че е еднаква за всички галактики и не зависи нито от разстоянието до галактиката, нито от посоката към нея в небето. Според съвременните данни стойността на константата на Хъбъл е в диапазона от 60 до 75 km/s на мегапарсек.
Едуин Хъбъл (1889-1953), астроном от обсерваторията Маунт Уилсън в Калифорния, наблюдава галактики с помощта на най-мощния телескоп на своето време с диаметър 2,5 м. През 1929 г. той установява количествен модел във феномена на отдръпването на галактиките ( Закон на Хъбъл)
Отдалечаването на галактиките според закона на Хъбъл сега се наблюдава до разстояния от няколко хиляди мегапарсека. Ако галактиката е на разстояние, да речем, 1000 Mpc, тогава тя се отдалечава от нас със скорост 60-75 хиляди km/s. Това е огромна скорост, която е само 4-5 пъти по-ниска от скоростта на светлината. Общата рецесия на галактиките е най-грандиозното явление на природата.
Откритията на Слайфър и Хъбъл, както и по-нататъшните изследвания, поставиха основата за наблюдение, върху която се изгражда и развива цялата съвременна космология. Сега знаем, че живеем в огромен свят, който също се разширява с времето. Разширяването започва преди около 14 милиарда години; Този гигантски период от време се смята за ерата на света. И събитието, което е довело до космологично разширение, се нарича Голям взрив.
Но каква е физическата природа на Големия взрив? Откъде галактиките са получили огромните си скорости на бягство? Какво ги накара бързо да се отдалечат един от друг? Нито известните астрономи-наблюдатели, основателите на космологията, нито великите физици, като се започне от Айнщайн, не можаха да отговорят на тези въпроси. Космолозите в наши дни също нямат отговор на тях. Това е може би най-трудната и най-неразрешимата мистерия, възниквала някога в естествените науки. Не знаем къде всъщност е започнало космологичното разширение и нямаме представа за физиката, която може да стои зад него. Дори не се знае как да се постави проблемът за причината за космологичното разширение. Освен това нищо не може да се каже за случилото се преди това събитие и дори не е напълно ясно какво означава „преди“ тук.
И все пак самата възможност за разширяване на света е предсказана от руския математик Александър Фридман, класик на световната наука. Използвайки теорията на Айнщайн, Фридман разработва през 1922-1924г. физико-математически модел на света, който е в състояние на общо разширение. Пряко следствие от този модел е законът за пропорционалност на скоростта и разстоянието, който беше открит в наблюденията на Хъбъл. Космологичният модел на Фридман е теоретичната основа на съвременната космология. Този модел, комбиниран с данни от астрономически наблюдения, много добре описва динамиката на космологичното разширение. Разбира се, не от „самото начало“, за което нищо не се знае. Но е забележително, че теорията на Фридман е валидна веднага след първата секунда на космологичното разширение. Освен тази първа секунда, цялата по-нататъшна история на света ни е известна; Освен това тази теория говори и за бъдещето на Вселената: тя предсказва, че космологичното разширение ще продължи безкрайно дълго.
Излишното тегло на Вселената
През 1933 г. швейцарско-американският астроном Фриц Цвики забеляза, че в допълнение към светещата материя на галактиките във Вселената трябва да има и невидими, „скрити“ маси, които се проявяват само чрез своята гравитация. Той изучава галактическия куп Coma в съзвездието Coma Berenices, голяма формация, съдържаща хиляди звездни системи, подобни на мъглявината Андромеда или нашата Галактика. Галактиките се движат в този клъстер със скорости, достигащи 1000 km/s. За да ги задържи в обема на клъстера, е необходима гравитация, която видимите, светещи маси на самите галактики не могат да създадат сами. Това изисква по-силна гравитация и, според изчисленията на Zwicky, изисква допълнителни маси, които са около 10 пъти общата видима маса на клъстерните галактики.
По-късно, през 70-те години на миналия век, с усилията на астрономите в СССР и САЩ, беше открито, че скрити маси трябва да има не само в галактическите купове, но и в изолирани големи галактики. Яан Ейнасто, Вера Рубин, Джеремая Острикър, Джим Пийбълс и техните колеги откриха, че скрити маси образуват невидимите ореоли на галактиките. Факт е, че е възможно да се измери зависимостта на скоростта на въртене на спиралните галактики от разстоянието до центъра ( ротационна крива), които могат да бъдат проследени както вътре в звездната система, така и извън нея (чрез движението на неутрални водородни облаци). В областта извън видимия диск на галактиката кривата на въртене става като правило плоска, т.е. практически не зависи от разстоянието. Във всички случаи ходът на тази „плоска“ зависимост показва наличието на скрита материя както вътре в звездната система, така и извън нея, а масата на невидимата материя в ореола е 3-10 пъти по-голяма от масата на галактиката.
Тези ореоли имат почти сферична форма, радиусите им са 5-10 пъти по-големи от размера на самите звездни системи. Големи галактики като, да речем, мъглявината Андромеда или нашата собствена Галактика се състоят от звезден диск, вграден в разпределение на невидима маса, която се простира на разстояния до 100 kpc. Тези тъмни ореоли, подобно на допълнителните маси в Цвики, се проявяват изключително от гравитацията. Невидимата материя, която изпълва ореолите на галактиките и клъстерите, сега обикновено се нарича тъмна материя.
Други интересни емпирични доказателства в подкрепа на съществуването на тъмна материя идват от ефекта гравитационна леща. Клъстерите от галактики създават ефекта на Айнщайн на светлината, която се отклонява от гравитационното поле. В този случай далечни галактики и квазари служат като източник на светлина. Изображенията на галактиките се изкривяват, когато светлината им преминава през гравитационното поле на клъстера, което служи като вид гравитационна леща. Прави се разлика между силна и слаба леща. При силни лещи изкривяването е толкова значително, че се появяват множество изображения на източника. Това се случва, когато ъгловото разстояние между лещата и източника е сравнително малко. При относително големи ъглови разстояния изкривяването не е толкова значително (слаби лещи) и се свежда до промяна във видимата форма на източника, но без да се смачква изображението му. И в двата случая този ефект дава индикация за масата на клъстера, служещ като гравитационна леща. Чрез изучаване на такива изкривявания за стотици хиляди и милиони отдалечени галактики е възможно да се получи информация за големината и разпределението на масата в куповете от лещи. Наблюдения от този вид последователно показват, че клъстерите съдържат големи скрити маси.
Откриването на тъмната материя е второто (след откриването на космологичното разширение) най-важно събитие в историята на космологията. Обикновената материя, която изгражда планетата Земя (и всичко на нея, включително и самите нас), Слънцето и другите звезди, се състои само от три вида елементарни частици: протони, неутрони и електрони. А тъмната материя, от която във Вселената има много повече, има съвсем различен състав: не са бариони (протони и неутрони), не са електрони, а... кой знае какво.
Преди четвърт век Я. Б. Зелдович активно развива идеята, че тъмната материя може да се състои от неутрино. Космологичните неутрино (и антинеутрино) определено присъстват във Вселената. Те излязоха от равновесие с материята, когато светът беше на по-малко от една секунда, и оттогава присъстват в космоса, взаимодействайки с други видове енергия почти изключително гравитационно. Трябва да има средно около 300 от тях на всеки кубичен сантиметър пространство. В началото на 1980г. Изглежда, че лабораторен физичен експеримент позволява на тези частици да имат маси, подходящи за неутрино, за да играят ролята на тъмна материя. Сега обаче стана ясно, че масите на неутриното са много по-малки, така че в най-добрия случай около 10% от тъмната материя могат да бъдат приписани на тях. Кои тогава са основните носители на това вещество?
Една съвременна хипотеза, произтичаща от идеята на Зелдович, е, че тъмната материя се състои предимно от частици, които по някакъв начин са много подобни на неутрино: те са стабилни, нямат електрически заряд и участват само в гравитационни и слаби взаимодействия. Такива частици обаче са много различни от неутрино по маса: те трябва да са много тежки, около 1000 пъти по-тежки от протон, така че енергията на покой на такава частица е около 1 TeV. Такива частици все още не са известни нито на теория, нито във физическия експеримент. Ако те наистина съществуват, тогава, както показва теорията, те биха могли да присъстват във Вселената в необходимото количество. По този начин космологията стига до интересна прогноза: в природата трябва да има масивни, стабилни, слабо взаимодействащи елементарни частици, които представляват приблизително 25% от общата маса и енергия на Вселената, което е 4-5 пъти повече от принос на бариони.
Според една от хипотезите тъмната материя се състои от частици, подобни на неутриното. обаче, такива частици трябва да са приблизително 1000 пъти по-тежки от протон
Може би нови частици с необходимите свойства ще бъдат открити в Големия адронен колайдер в CERN, който се готви да проведе безпрецедентни експерименти. В този най-мощен ускорител лъчите от протони и йони ще бъдат ускорени до енергии над 10 TeV, което значително надвишава енергията на покой на хипотетичните тъмни частици. Няколко големи лаборатории по света, включително в Русия, изграждат специални инсталации за откриване на частици тъмна материя, идващи към Земята от ореола на нашата Галактика. Възможно е въпросът за физическата природа на тъмната материя да бъде разрешен в близко бъдеще. Във всеки случай тази мистерия не изглежда толкова безнадеждна, колкото природата на космологичното разширение.
Фотон фон
През 1965 г. американските радиоастрономи Арно Пензиас и Робърт Уилсън откриват, че цялата Вселена е проникната от електромагнитно лъчение, пристигащо към Земята изотропно, тоест равномерно от всички посоки. Това е третото по големина откритие в космологията.
Максимумът в спектъра на това лъчение се проявява при милиметрови вълни, а самият спектър, т.е. разпределението по дължини на вълните (или честоти), съвпада по форма със спектъра на абсолютно черно тяло. На квантовия език можем да кажем, че в света има газ от фотони, които равномерно изпълват цялото пространство. Температурата на този газ е точно измерена: T = 2,725 K. Както можете да видите, това е много ниска температура, не е по-висока от три градуса, считано от абсолютната нула (по скалата на Целзий това е −270°). Във Вселената има много такива космически фотони: те са почти 10 милиарда пъти повече от протоните, ако броите по броя на частиците. Един кубичен сантиметър пространство съдържа приблизително 500 реликтни фотона.
Изотропното космическо лъчение само по себе си не създава особени загадки. Това е реликва, тоест остатък от състоянието, в което е била Вселената в много далечното минало, в първите минути на своето разширяване. По това време не е имало звезди или галактики и цялата материя е била разпределена повече или по-малко равномерно в пространството. Това може да си представим, ако мислено обърнем хода на времето: поглеждайки назад, ще видим, че галактиките не се разпръскват, а се приближават една към друга. И в определен момент те трябва да се смесят, така че веществото им да се окаже газ с приблизително еднаква плътност. Този газ трябва да е много горещ. Дори от училище знаем, че когато телата се разширяват, те се охлаждат, а когато се свиват, се нагряват. От физиката също е известно, че в горещ газ задължително трябва да има фотони, които са в термодинамично равновесие с газа. Тъй като Вселената се разширява, фотоните не изчезват и трябва да оцелеят в съвременната епоха.
Така разсъждаваше той още през 40-те години. Георги Гъмов, някогашен ученик на професор Фридман в Ленинград. Той изгражда теорията за „горещата Вселена“, наричана още теория за Големия взрив, и въз основа на нея успява да предскаже самото съществуване на това остатъчно, реликтно лъчение. Освен това той прогнозира текущата температура на реликтните фотони. Според неговите изчисления тя не трябва да надвишава 10 К. В една от своите научно-популярни статии (през 1950 г.) Гамов пише, че температурата трябва да бъде приблизително три градуса абсолютни. Както се оказа десетилетие и половина по-късно, прогнозата се оказа много точна. Мнозина смятат, че това е най-красивото количествено предсказание в цялата космологична теория.
Но нещо не е съвсем ясно за реликтното излъчване. Космолозите не могат да разберат защо има толкова много реликтни фотони (в сравнение с протоните). По-правилно обаче би било да се каже, че този въпрос не е за фотоните, а по-скоро за протоните: защо те са толкова много, както е известно от наблюденията? Все още няма отговор. Дори А. Д. Сахаров, който го смяташе за един от най-фундаменталните както в космологията, така и в цялата фундаментална физика, не можа да се справи с този проблем.
Откриването и изследването на космическото микровълново фоново лъчение беше удостоено с две Нобелови награди. Първата е присъдена през 1978 г. на Пензиас и Уилсън, втората - през 2006 г. на Джордж Смут и Джон Матер, които през 1992 г. доказват, че космическото микровълново фоново лъчение наистина е термодинамично равновесен газ от фотони с определена температура. Това е направено с помощта на американския спътник COBE (Cosmic Background Explorer). Освен това COBE измерва слаба анизотропия на фоновото излъчване на ниво хилядни от процента. Последният е „отпечатък” от първоначално слаби нехомогенности в материята на ранната Вселена, които по-късно са породили наблюдаваните мащабни космически структури – галактики и галактически купове.
Джордж Гамов (1904-1968), 15 години преди Откриването на Пензиас и Уилсън, предвижда, че температурата на CMB трябва да бъде около три градуса. Това беше най-точното количествено предсказание в космологията
Днес наблюденията на космическото микровълново фоново лъчение служат на астрономите за изследване на широкомащабните свойства на Вселената. Най-удивителният резултат, постигнат по този път през последните години, се отнася до геометрията на триизмерното пространство, в което се разпръскват галактиките. Започвайки с Фридман, космолозите се опитват да определят вида на геометрията на реалното пространство. Оказа се, че това е обикновена училищна евклидова геометрия. Оказва се, че нашият свят не е много сложен: поне неговата пространствена геометрия е възможно най-простата.
Универсална антигравитация
През 1998-1999г Два международни екипа от наблюдатели, единият ръководен от Brian Schmidt и Adam Reiss, а другият от Saul Perlmutter, откриха, че наблюдаваното космологично разширение се ускорява: скоростта, с която галактиките се отдалечават, се увеличава с времето. Откритието е направено чрез изучаване на далечни експлозии на свръхнови от определен тип (Ia), които са забележителни с това, че могат да служат като „стандартни свещи“, тоест източници с известна присъща светимост. Поради изключителната си яркост, свръхновите могат да се наблюдават на много големи, наистина космологични разстояния от хиляди мегапарсеки.
Материята (включително тъмната материя) не е в състояние да ускори галактиките, а само забавя тяхното разширяване: взаимното привличане на галактиките има тенденция да ги доближава една до друга. Следователно откритият от астрономите факт на ускорено разширяване показва, че наред с обикновената материя, която създава гравитацията, във Вселената има специална космическа маса или енергия, която създава не гравитация, а антигравитация - общото отблъскване на телата. Освен това в космологичен мащаб антигравитацията е по-силна от гравитацията. Новата енергия се нарича тъмна енергия. Той наистина е невидим: не излъчва, не разпръсква и не поглъща светлина (и всички електромагнитни вълни като цяло); проявява се само като антигравитация.
Астрономите са установили, че до разстояния от около 7 милиарда светлинни години космологичното ускорение е положително. Но на още по-големи разстояния ускорението, както се оказва, променя знака: там то е отрицателно, което означава, че на тези изключително големи разстояния космологичното разширение става със забавяне.
Нека сега вземем предвид, че светлината се разпространява в пространството с крайна скорост. Това означава, че виждаме обектите такива, каквито са били, когато са излъчвали светлината, която получаваме сега. Виждаме Слънцето със закъснение от 8 минути, наблюдаваме далечни галактики такива, каквито са били преди милиарди години. Телескопът е истинска машина на времето, която ви позволява да видите миналото на света със собствените си очи. Светът е на 13,7 милиарда години според най-новите космологични данни.
Току-що казаното за космологичното ускорение означава, че през първата половина от своята история Вселената се е разширявала със забавяне, а втората с ускорение. През първите 7 милиарда години разширяващата се Вселена практически не усети наличието на тъмна енергия в нея: плътността на материята (тъмна материя и бариони) беше значително по-висока от плътността на тъмната енергия. Предполага се, че плътността на тъмната енергия не зависи от времето, тя е постоянна величина. И плътността на материята намалява по време на разширяването, така че в миналото е била по-висока от сега; поради тази причина до определен момент гравитацията на материята е била по-силна от антигравитацията на тъмната енергия. Тези две сили станаха равни по величина преди приблизително 7 милиарда години. Оттогава тъмната енергия доминира и тази ера на антигравитация ще продължи безкрайно.
Въз основа на комбинация от различни наблюдения (включително наблюдения на космическо микровълново фоново лъчение), сега е установен делът на всеки космически компонент в общия енергиен баланс на Вселената. Тези компоненти сега се наричат видове космическа енергия. Тъмната енергия представлява приблизително 70% от световната енергия; за тъмна материя – 25%; за обикновена материя (протони, неутрони, електрони) - около 5%; за космическо микровълново фоново лъчение – по-малко от 0,1%. Това е рецептата за "енергийната смес", която изпълва съвременната Вселена. Както виждаме, в него има много „тъмно“ - до 95%. Това беше най-голямата изненада за астрономи, космолози и физици.
Научната прозорливост на Айнщайн е изненадваща и достойна за възхищение: още през 1917 г. той говори за универсалното космическо отблъскване като възможно физическо явление в космологичен мащаб. За Айнщайн антигравитацията се описва само с една константа, която се нарича космологична константа. Целият комплекс от налични в момента данни от наблюдения за тъмната енергия е в отлично съответствие с това описание.
Антигравитацията се създава не от галактики или други компактни обекти, а от непрекъснатата космическа среда, в която са потопени всички тела - тъмна енергия
Айнщайн не ни е оставил физическа интерпретация на космологичната константа. Според предложението на E. B. Gliner, изразено през 1965 г., космологичната константа може да се разглежда като физическа характеристика на специален вид непрекъсната среда, идеално равномерно запълваща цялото пространство на Вселената. Плътността на тази среда е не само хомогенна, но и не зависи от времето, тя е еднаква във всички референтни системи. От тази идея следват специалните макроскопични свойства на тъмната енергия. И така, оказва се, че има налягане и то е отрицателно, и по абсолютна стойност е равно на плътността на енергията (припомнете си, че плътността на енергията и налягането имат една и съща величина). Именно поради отрицателното си налягане тъмната енергия създава антигравитация – това е специфичен ефект от общата теория на относителността.
Но какви са не макроскопичните, а микроскопичните свойства на тъмната енергия? В какво се състои? В края на 60-те години, много преди откриването на тъмната енергия, Зелдович обсъжда възможната връзка между космологичната константа и квантовия вакуум на елементарните частици и физическите полета. Този физически вакуум не е абсолютна празнота; той има своя собствена ненулева енергия. Неговите носители са т. нар. нулеви трептения на квантовите полета, които винаги съществуват в пространството дори при отсъствието на каквито и да било частици в него. Ако този квантов вакуум се разглежда макроскопски като вид среда, тогава трябва да му се припише не само енергийна плътност, но и налягане. В този случай връзката между налягането и плътността трябва да бъде точно същата като тази на тъмната енергия, описана от космологичната константа на Айнщайн. Така че не е ли тъмната енергия идентична с физическия вакуум?
Би било чудесно, ако се докаже, че това наистина е така: обединяването на привидно различни същности е най-плодотворният начин за развитие на науката. Това е известно още от времето на Максуел, който комбинира електричество и магнетизъм. Но досега идеята на Зелдович не е доказана или опровергана. Физическата природа и микроскопичната структура на тъмната енергия сега се превърна в централен проблем на космологията и цялата фундаментална физика. Изглежда, че е толкова сложен, колкото и въпросът за произхода на космологичното разширение.
И така, през 90-те години на своето съществуване, считано от първите наблюдения на Слайфър и теоретичната работа на Айнщайн, космологията се трансформира от област на абстрактни и почти фантастични, както изглеждаше, изследвания в далечната периферия на тогавашното науката в една от централните области на естествената наука на 21 век. Има надеждна наблюдателна основа, която се състои от основни факти за Вселената. Върху него се изгражда и развива теория, тясно свързана с цялата съвременна физика, включително общата теория на относителността, ядрената физика и физиката на елементарните частици. Космологията поставя нови важни въпроси, излага смислени идеи и хипотези и прави смели прогнози. Той предоставя широка, богата и последователна картина на света, която днес се превръща в неразделна част от общата култура на човечеството. А нерешени проблеми в живата, сложна наука винаги има и трябва да има - това е източникът и резервът за по-нататъшното й развитие.
Литература
Weinberg S. Първите три минути. М.: Атомиздат, 1982.
Новиков И. Д., Шаров А. С. Човекът, открил експлозията на Вселената. М.: Наука, 1989.
Розентал И. Л. Елементарни частици и структурата на Вселената. М.: Недра, 1984.
Троп Е. А., Френкел В. Я., Чернин А. Д. Александър Александрович Фридман. Произведения и живот. М.: Наука, 1988.
Черепашчук А. М., Чернин А. Д. Вселена, живот, черни дупки. Фрязино: Век-2, 2003.
Черепашчук А. М., Чернин А. Д. Хоризонти на Вселената. Новосибирск: Издателство на SB RAS, 2005.
Съвременната физика смята мегасвяткато система, която включва всичко небесни тела, дифузен(дифузия - разсейване) материя, съществуващи под формата на изолирани атоми и молекули, както и под формата на по-плътни образувания - гигантски облаци от прах и газ, и материя под формата на радиация.
Космологията е наука за Вселената като цяло. В съвременността тя се отделя от философията и се превръща в самостоятелна наука. Нютонова космологиясе основава на следните постулати:
· Вселената винаги е съществувала, тя е “светът като цяло” (universum).
· Вселената е стационарна (непроменлива), променят се само космическите системи, но не и светът като цяло.
· Пространството и времето са абсолютни. Метрично пространството и времето са безкрайни.
· Пространството и времето са изотропни (изотропията характеризира едни и същи физични свойства на средата във всички посоки) и хомогенни (хомогенността характеризира средното разпределение на материята във Вселената).
Съвременна космологиясе основава на общата теория на относителността и затова се нарича релативистичен,за разлика от преди , класически.
През 1929г Едуин Хъбъл(американски астрофизик) открит явлението "червена смяна".Светлината от далечни галактики се измества към червения край на спектъра, което показва, че галактиките се отдалечават от наблюдателя. Възникна идеята за нестационарния характер на Вселената . Александър Александрович Фридман(1888 – 1925) е първият, който теоретично доказва това Вселената не може да бъде неподвижна, но трябва периодично да се разширява или свива. Проблемите за изучаване на разширяването на Вселената и определяне на нейната възраст излязоха на преден план. Следващият етап в изследването на Вселената е свързан с работата на американски учен Георги Гъмов(1904-1968). Започват да се изучават физическите процеси, протичащи на различни етапи от разширяването на Вселената. Гъмов откри "реликтово излъчване"(Реликвата е останка от далечното минало).
Има няколко модела на Вселената: обща за тях е идеята за неговата нестационарна, изотропна и хомогенна природа.
Според метода на съществуване - моделът " разширяваща се вселена"и модел" пулсираща вселена».
В зависимост от кривината на пространството има: отворенмодел, в който кривината е отрицателна или равна на нула, той представлява отворена, безкрайна Вселена; затворенмодел с положителна кривина, в който Вселената е крайна, но неограничена, безгранична.
Обсъждането на въпроса за крайността или безкрайността на Вселената породи няколко така наречени космологични парадокса, според които, ако Вселената е безкрайна, то тя е крайна.
1. Парадокс на разширението (Е.Хъбъл). Приемайки идеята за безкрайното разширение, ние стигаме до противоречие с теорията на относителността. Отдалечаване на мъглявината от наблюдателя на безкрайно голямо разстояние (според теорията за „червеното изместване“ В. М. Слайфери „ефектът на Доплер“) трябва да надвишава скоростта на светлината. Но това е максималната (според теорията на Айнщайн) скорост на разпространение на материалните взаимодействия; нищо не може да се движи с по-висока скорост.
2. Фотометричен парадокс (J.F.ChezotИ В. Олберс). Това е тезата за безкрайната осветеност (при липса на поглъщане на светлина) на небето според закона за осветеност на всяка област и според закона за увеличаване на броя на източниците на светлина с увеличаване на обема на пространството. Но безкрайната яркост противоречи на емпиричните данни.
3. Гравитационен парадокс (К. Нойман, Г. Силигер): безкраен брой космически тела би трябвало да водят до безкрайна гравитация и следователно до безкрайно ускорение, което не се наблюдава.
4. Термодинамичен парадокс(или така наречената „топлинна смърт” на Вселената). Преминаването на топлинна енергия в други видове е трудно в сравнение с обратния процес. Резултат: еволюцията на материята води до термодинамично равновесие. Парадоксът говори за крайния характер на пространствено-времевата структура на Вселената.
2. Еволюция на Вселената. Теория за Големия взрив"
От древни времена до началото на 20 век космосът се смята за непроменен. Звездният свят олицетворяваше абсолютния мир, вечността и безграничния обхват. Откриването през 1929 г. на експлозивното разширяване на галактиките, т.е. бързото разширяване на видимата част от Вселената, показа, че Вселената е нестационарна. Екстраполирайки този процес на разширяване в миналото, учените заключиха, че преди 15-20 милиарда години Вселената е била затворена в безкрайно малък обем пространство с безкрайно висока плътност („точка на сингулярност“), а цялата настояща Вселена е крайна, т.е. има ограничен обем и живот.
Отправната точка за живота на развиващата се Вселена започва от момента, в който е настъпил „Големият взрив" и внезапно е нарушено състоянието на сингулярност. Според повечето изследователи съвременната теория за „Големия взрив" като цяло доста успешно описва еволюцията на Вселената, започвайки от около 10 -44 секунди след началните разширения. Единствената слаба връзка в тази красива теория се счита за проблемът за Началото - физическото описание на сингулярността.
Учените са съгласни, че първичната Вселена е била в условия, които е трудно да си представим и възпроизведем на Земята. Тези условия се характеризират с наличието на висока температура и високо налягане сингулярност, в който е била концентрирана материята.
Еволюционното време на Вселената се оценява на приблизително 20 милиарда години. Теоретичните изчисления показаха, че в сингулярно състояние неговият радиус е близък до радиуса на електрона, т.е. беше микрообект с незначителен мащаб. Предполага се, че тук са започнали да действат квантовите закони, характерни за елементарните частици.
Вселената започна да се разширява от първоначалното си сингулярно състояние в резултат на Големия взрив, който изпълни цялото пространство. Възникна температура от 100 000 милиона градуса. според Келвин, при което не могат да съществуват молекули, атоми и дори ядра. Материята беше под формата на елементарни частици, сред които преобладаваха електрони, позитрони, неутрино и фотони, а протоните и неутроните бяха по-малко. В края на третата минута след експлозията температурата на Вселената падна до 1 милиард градуса. според Келвин. Започват да се образуват ядрата на атомите - тежък водород и хелий, но по това време материята на Вселената се състои главно от фотони, неутрино и антинеутрино. Едва след няколкостотин хиляди години започнаха да се образуват водородни и хелиеви атоми, образувайки водородно-хелиева плазма. Астрономите откриха „реликтно“ радиоизлъчване през 1965 г. – излъчване от гореща плазма, запазена от времето, преди да съществуват звезди и галактики. От тази смес от водород и хелий, в процеса на еволюцията, е възникнало цялото многообразие на съвременната Вселена. Според теорията J. H. Дънки Основният фактор в еволюцията на Вселената е нейната гравитационна нестабилност: Материята не може да бъде разпределена с постоянна плътност във всеки обем. Първоначално хомогенната плазма се разпада на огромни бучки. След това от тях се образуват купове от галактики, които се разпадат на протогалактики и от тях възникват протозвезди. Този процес продължава и в наше време. Планетни системи, формирани около звезди. Това модел (стандартен) Вселената не е достатъчно обоснована, остават много въпроси. Единственото доказателство в негова полза са установените факти за разширяването на Вселената и космическото микровълново фоново излъчване.
Известен американски астроном Карл Сейгънизгради визуален модел на еволюцията на Вселената, в който една космическа година е равна на 15 милиарда земни години, а 1 сек. – 500 години; тогава в земни времеви единици еволюцията ще бъде представена по следния начин:
Стандартният модел на еволюцията на Вселената предполага, че първоначалната температура вътре в сингулярността е била по-висока от 10 13 по скалата на Келвин (в която началната точка съответства на – 273 0 C). Плътността на веществото е приблизително 10 93 g/cm 3 . „Големият взрив“, с който се свързва началото на еволюцията, беше неизбежен. Предполага се, че такъв взрив се е случил преди около 15-20 милиарда години и е бил придружен първо от бързо, а след това от по-умерено разширяване и съответно постепенно охлаждане на Вселената. По степента на разширение на Вселената учените съдят за състоянието на материята на различни етапи от еволюцията. След 0,01 сек. след експлозията плътността на веществото пада до 10 10 g/cm 3 . При тези условия в разширяващата се Вселена очевидно е трябвало да има фотони, електрони, позитрони, неутрино и антинеутрино, както и малък брой нуклони (протони и неутрони). В този случай имаше непрекъсната трансформация на двойки електрон+позитрон във фотони и обратно - фотони в двойка електрон+позитрон. Но вече 3 минути след експлозията се образува смес от леки ядра от нуклони: 2/3 водород и 1/3 хелий, така наречената предзвездна материя, останалите химични елементи се образуват от нея чрез ядрени реакции. В момента, в който се появиха атомите на водород и хелий, веществото стана прозрачно за фотоните и те започнаха да се излъчват в космоса. В момента такъв остатъчен процес се наблюдава във формата космическо микровълново фоново лъчение(остатък от онова далечно време на образуването на неутралните водородни и хелиеви атоми).
С разширяването и охлаждането на Вселената настъпиха процеси на разрушаване на съществуващи структури и възникване на нови структури на тази основа, което доведе до нарушаване на симетрията между материя и антиматерия. Когато температурата след експлозията падна до 6 милиарда градуса по Келвин, първите 8 секунди. имаше основно смес от електрони и позитрони. Докато сместа е в термично равновесие, броят на частиците остава приблизително същият. Между частиците възникват непрекъснати сблъсъци, в резултат на което се получават фотони, а от фотони - електрони и позитрони. Има непрекъсната трансформация на материята в радиация и, обратно, радиацията в материя. На този етап се запазва симетрията между материята и радиацията.
Нарушаването на тази симетрия е настъпило след по-нататъшното разширяване на Вселената и съответното понижаване на нейната температура. Появяват се по-тежки ядрени частици - протони и неутрони. Има изключително незначителен превес на материята над радиацията (1 протон или неутрон на милиард фотона). От този излишък, в процеса на по-нататъшна еволюция, възниква огромното богатство и разнообразие на материалния свят, вариращо от атоми и молекули до различни планински образувания, планети, звезди и галактики.
И така, 15-20 милиарда години е приблизителната възраст на Вселената. Какво се случи преди раждането на Вселената? Първата космогонична схема на съвременната космология гласи, че цялата маса на Вселената е компресирана в определена точка (сингулярност). Не е известно по какви причини това първоначално, точково състояние е било нарушено и е настъпил това, което днес се нарича „Големият взрив“.
Втората космологична схема за раждането на Вселената описва този процес на възникване от „нищото“, вакуум. В светлината на новите космогонични идеи самото разбиране за вакуум беше преразгледано от науката. Вакуумът е специално състояние на материята. В началните етапи на Вселената интензивното гравитационно поле може да генерира частици от вакуума.
Откриваме интересна аналогия с тези съвременни идеи сред древните. Философът и теологът Ориген (2-3 в. сл. Хр.) споменава прехода на материята в друго състояние, дори „изчезването на материята” в момента на смъртта на Вселената. Когато Вселената възникне отново, „материята“, пише той, „получава битие, образувайки тела...“.
Според сценария на изследователите, цялата наблюдавана в момента Вселена с размер от 10 милиарда светлинни години е възникнала в резултат на разширение, продължило само 10 -30 секунди. Разпръсквайки се, разширявайки се във всички посоки, материята отблъсква „несъществуването“, създава пространство и започва обратното броене на времето. Ето как съвременната космогония вижда формирането на Вселената.
Предложен е концептуален модел на "разширяваща се вселена". А.А. Фридманпрез 1922-24г. Десетилетия по-късно тя получава практическо потвърждение в трудовете на американски астроном Е.Хъбълкойто изучава движението на галактиките. Хъбъл откри, че галактиките бързо се отдалечават, следвайки определен импулс. Ако това разсейване не спре и продължи безкрайно, тогава разстоянието между космическите обекти ще се увеличава, клонейки към безкрайност. Според изчисленията на Фридман точно така е трябвало да протече по-нататъшното развитие на Вселената. Но при едно условие - ако средната плътност на масата на Вселената е по-малка от определена критична стойност, тази стойност е приблизително три атома на кубичен метър. Преди известно време данните, получени от американски астрономи от спътник, който изучаваше рентгеновото излъчване на далечни галактики, позволиха да се изчисли средната плътност на масата на Вселената. Оказа се, че е много близо до критичната маса, при която разширяването на Вселената не може да бъде безкрайно.
Беше необходимо да се обърнем към изучаването на Вселената чрез изследване на рентгеновото лъчение, тъй като значителна част от нейната материя не се възприема оптически. Ние „не виждаме“ около половината от масата на нашата Галактика. Съществуването на това вещество, което ние не можем да възприемем, се доказва по-специално от гравитационните сили, които определят движението на нашата и други галактики, движението на звездните системи. Тази материя може да съществува под формата на „черни дупки“, чиято маса е стотици милиони маси на нашето Слънце, под формата на неутрино или някакви други непознати за нас форми. Невъзприемани като „черни дупки“, короните на галактиките могат, както смятат някои изследователи, да бъдат 5-10 пъти по-големи от масата на самите галактики.
Предположението, че масата на Вселената е много по-голяма, отколкото обикновено се смята, намери ново, много силно потвърждение в трудовете на физиците. Те получиха първите доказателства, че един от трите вида неутрино има маса в покой. Ако останалите неутрино имат същите характеристики, тогава масата на неутриното във Вселената е 100 пъти по-голяма от масата на обикновената материя, открита в звездите и галактиките.
Това откритие ни позволява да кажем с по-голяма увереност, че разширяването на Вселената ще продължи само до определена точка, след което процесът ще се обърне - галактиките ще започнат да се приближават една към друга, сближавайки се отново до определена точка. Следвайки материята, пространството ще бъде компресирано в точка. Ще се случи това, което астрономите днес наричат „Колапсът на Вселената“.
Дали хората или обитателите на други светове, ако съществуват в космоса, ще забележат компресията на Вселената, началото на нейното завръщане към първичния хаос? Не. Те няма да могат да забележат обръщането на времето, което ще настъпи, когато Вселената започне да се свива.
Учените, говорейки за обръщането на потока на времето в мащаба на Вселената, правят аналогия с времето на свиваща се, „колабираща“ звезда. Конвенционалният часовник, разположен на повърхността на такава звезда, първо ще трябва да се забави, след което, когато компресията достигне критична точка, те ще спрат. Когато звездата се „откаже“ от нашето пространство-време, конвенционалните стрелки на конвенционалния часовник ще се движат в обратна посока - времето ще се върне назад. Но самият хипотетичен наблюдател, разположен на такава звезда, няма да забележи всичко това. Забавянето, спирането и промяната на посоката на времето може да се наблюдава отвън, намирайки се извън „срутващата се“ система. Ако нашата Вселена е единствената и няма нищо извън нея - нито материя, нито време, нито пространство - тогава не може да има външен поглед, който да забележи, когато времето променя курса си и тече назад.
Някои учени смятат, че това събитие вече се е случило в нашата Вселена, галактиките падат една върху друга и Вселената е навлязла в ерата на своята смърт. Има математически изчисления и съображения, които подкрепят тази идея. Какво се случва, след като Вселената се върне в определена начална точка? След това ще започне нов цикъл, ще се случи следващият „Голям взрив“, първичната материя ще се втурне във всички посоки, разширявайки се и създавайки пространство, галактики, звездни купове и животът ще възникне отново. Това по-специално е космологичният модел на американския астроном Дж. Уилър, модел на последователно разширяваща се и свиваща се Вселена.
Известен математик и логик Кърт Гьоделматематически обоснова позицията, че при определени условия нашата Вселена наистина трябва да се върне в началната си точка, за да завърши отново същия цикъл, завършвайки го с ново връщане към първоначалното си състояние. Моделът на английския астроном също отговаря на тези изчисления П. Дейвис, моделът на „пулсиращата Вселена“. Но важното е, че Вселената на Дейвис включва затворени времеви линии, с други думи времето в нея се движи в кръг. Броят на произхода и смъртта, които Вселената преживява, е безкраен.
Как съвременната космогония си представя смъртта на Вселената? Известен американски физик С. Вайнбергописва го така. След като започне компресията, хиляди и милиони години няма да се случи нищо, което да предизвика тревога у нашите далечни потомци. Въпреки това, когато Вселената се свие до 1/100 от сегашния си размер, нощното небе ще излъчва към Земята толкова топлина, колкото дневното небе днес. След 70 милиона години Вселената ще се свие още десет пъти и тогава „нашите наследници и приемници (ако има такива) ще видят небето непоносимо ярко“. След още 700 години космическата температура ще достигне десет милиона градуса, звездите и планетите ще започнат да се превръщат в „космическа супа“ от радиация, електрони и ядра.
След компресия до точка, след това, което наричаме „смъртта на Вселената“, но което може би изобщо не е нейната смърт, започва нов цикъл. Косвено потвърждение на това предположение е вече споменатото реликтово излъчване, ехото от „Големия взрив“, който е родил нашата Вселена. Според учените тази радиация изглежда идва не само от миналото, но и „от бъдещето“. Това е отражение на „световния пожар“, произтичащ от следващия цикъл, в който се ражда нова Вселена. Не само реликтовото излъчване прониква в нашия свят, идвайки сякаш от две страни - от миналото и бъдещето. Материята, която изгражда света, Вселената и нас, може би носи някаква информация. Изследователите са малко колебливи, но те вече говорят за един вид "памет" на молекули, атоми и елементарни частици. Въглеродните атоми, които са били в живите същества, са „биогенни“.
Тъй като материята не изчезва в момента, в който Вселената се сближи в точка, информацията, която носи, не изчезва и е неразрушима. Нашият свят е пълен с него, както е пълен с материята, която го съставя.
Вселената, която ще замени нашата, ще бъде ли нейно повторение?
Напълно вероятно, отговарят някои космолози.
Не е задължително, твърдят други. Няма физически оправдания, казва например д-р. Р. Дикот Принстънския университет, така че всеки път, когато се формира Вселената, физическите закони са същите като в началото на нашия цикъл. Ако тези модели се различават дори по най-малкия начин, тогава звездите няма да могат впоследствие да създадат тежки елементи, включително въглерод, от който е изграден животът. Цикъл след цикъл, Вселената може да възникне и да бъде унищожена, без да породи нито една искра живот. Това е една от гледните точки. Може да се нарече гледна точка на „прекъснатостта на битието“. То е непостоянно, дори ако животът възниква в новата Вселена: никакви нишки не го свързват с миналия цикъл. Според друга гледна точка, напротив, „Вселената помни цялата си праистория, без значение колко далеч (дори безкрайно) в миналото отива“.
На въпроса няма да задавам въпроса какво е вселената, а... зададен от автора електрозаварчикнай-добрият отговор е Казват, че Вселената е безгранична. Друг вариант ми се струва по-логичен - от момента на Големия взрив Вселената се разширява от една точка във всички посоки, като за нейни граници могат да се приемат най-отдалечените й страни. Как изглеждат? Всички измерения са замъглени, разредени и т.н. Няма пространство, няма време, нищо.
Нещо друго ме безпокои от известно време - според учените след известен (огромен) период от време цялата тази „разширяваща се Вселена“ ще започне да се свива обратно...
Отговор от Лента[гуру]
Вземете енциклопедия. в астрономията...
Отговор от Олга Шефер[гуру]
да А също и кога всичко започна и кога ще свърши. И това, което е отвъд границите на Вселената. И най-важното откъде идва всичко това? Благодаря ти. Мозъкът ви ще кипи с дни. уф
Отговор от Извънземно[гуру]
по принцип никой няма да даде разбираем отговор, това е извън човешкия ум, но будистите имат концепцията за "нещо повече от безкрайност"
Отговор от европейски[гуру]
Този въпрос най-вероятно може да се припише на философията, а не на науката.
Вселената... струпване на милиарди галактики, възникнали в резултат на Големия взрив – ще каже един учен материалист. Филосов ще отиде по-далеч. Той ще попита: каква е основната причина за Големия взрив? Има езотерично тълкуване, че първопричината за всички материални неща, от минералите до Вселената, е етерът. Това е нещо нематериално, което не подлежи на никакви физически характеристики. Това е най-високата степен на нематерията. В най-старата религия на Земята Бонпо (древна индуистка религия, предшественик на будизма) Етерът е описан като спирален вихър, който кара всичко материално да се движи, върти и еволюира.
Това е извън контрола на ума на нашата цивилизация, тъй като имаме „стабилизатор на мисленето“ в мозъците си, който не позволява на мислите на нито един учен или философ дори да се доближат до решаването на този проблем. Още не е дошъл моментът да ни разкриете тази тайна... Колко жалко!! !
Религиозна гледна точка:
...И Бог раздели светлината и тъмнината... предполага създаването на Вселената от Бог;
Може и да не съм отговорил на въпроса, но опитах!
Отговор от Longines[гуру]
Размер, възраст, съдържание, структура и закони
Разстоянията, достъпни за съвременните телескопи, са милиарди светлинни години. Вселената в такива мащаби се изучава от астрономията и космологията. Теоретичната основа на космологията е общата теория на относителността.
В най-голям мащаб Вселената е разширяващо се пространство, изпълнено с подобна на гъба, бучка структура. Стените на тази гъбеста структура са клъстери от милиарди галактики. Разстоянията между най-близките една до друга галактики са около милион светлинни години.
Всяка галактика се състои от стотици милиарди звезди, които обикалят около централно ядро. Размерите на галактиките достигат до стотици хиляди светлинни години.
Смята се, че повечето звезди са кратни и представляват центрове на планетни системи от няколко планети. Разстоянията между спътниците на множество системи или планети и техните звезди са десетки и стотици астрономически единици (милиарди и десетки милиарди километри).
Най-важният резултат от космологията - откритието за разширяването на Вселената - е получен чрез наблюдения на червеното отместване и количествено определен от закона на Хъбъл. Екстраполирането на това разширение назад във времето води до гравитационна сингулярност, абстрактна математическа концепция, която може или не може да съответства на реалността. Това поражда теорията за Големия взрив, доминиращият модел в космологията днес. Според данните на НАСА, получени с помощта на WMAP, възрастта на Вселената след Големия взрив е оценена на 13,7 милиарда години с грешка от един процент. Тази оценка се основава на предположението, че основният модел за анализ на данни е правилен. Други методи за определяне на възрастта на Вселената дават различни резултати.
Основният аргумент за Големия взрив е, че колкото по-далеч е една галактика от нас, толкова по-бързо се отдалечава от нас. Това се потвърждава и от космическото микровълново фоново лъчение (CMB), възникнало малко след Големия взрив. Това космическо микровълново фоново лъчение е еднакво във всички посоки. Космолозите се опитаха да обяснят този факт с ранния период на инфлационна експанзия, последвал Големия взрив.
Няма единна гледна точка дали Вселената е наистина безкрайна или ограничена по пространство и обем. Въпреки това, наблюдаваната Вселена, която включва всички места, които могат да ни повлияят след Големия взрив, е ограничена, защото скоростта на светлината е крайна. Границата на космическия светлинен хоризонт е разстояние от 24 гигапарсека. Действителното разстояние до границата на наблюдаваната Вселена е по-голямо поради непрекъснато нарастващата скорост на разширяване на Вселената и се оценява на 93 милиарда светлинни години.
Въпросът за формата на Вселената е важен открит въпрос в космологията. От гледна точка на математиката, ние сме изправени пред проблема да намерим триизмерна фигура, която най-добре представя пространствения аспект на Вселената.
Първо, не е известно дали Вселената е пространствено плоска, т.е. дали законите на евклидовата геометрия се прилагат в най-големите мащаби. В момента повечето космолози вярват, че наблюдаваната Вселена е много близка до пространствено плоска, с локални гънки, където масивни обекти изкривяват пространство-времето. Тази гледна точка е потвърдена от последните данни на WMAP, разглеждащи "акустични колебания" в температурните вариации на CMB.
„Льометр, когото познавах добре, веднъж ми каза, че когато се опитал да обсъди с Айнщайн възможността за по-точно представяне на първоначалното състояние на Вселената, за да разбере може би природата на космическите лъчи, Айнщайн не се интересувал. „Това е твърде подобно на акт на сътворение“, каза той на Льометр, „веднага се вижда, че си свещеник.“ Това е разказ на Иля Романович Пригожин от негова реч през 1979 г. в Кралската белгийска академия, на която Жорж Льометр някога е бил член. Активен участник в основните събития в космологията за почти половин век от нейната история, Льометр - въпреки хумористичната забележка на Айнщайн - винаги се е придържал към гледната точка, че по въпроса за произхода на Вселената, както и по други фундаментални въпроси на космологията , трябва ясно да се прави разлика между научни факти и религиозни, богословски такива. Той каза, че науката не се нуждае от „хипотезата за Бог“, за да я използва, за да запълни празнините в обективното познание. В същото време религиозното чувство, вярата в акта на божественото сътворение не се нуждае от естественонаучни аргументи, колкото и привлекателни да изглеждат.
В една от речите си пред теолозите Льометр, признат класик по космология и президент на Папската академия на науките във Ватикана, отбеляза: „Не може да се приеме, че космологията не е важна за философията. Философията и теологията, когато се държат изолирани от научната мисъл, се превръщат или в изостанала, самовглъбена система, или се превръщат в опасна идеология. Говорейки за Големия взрив, за еволюционната космология на Конгреса на Солвей (1957 г.), той подчерта, че космологичната теория, която допуска специално, уникално първоначално състояние на света, „остава напълно настрана от всякакви метафизични или религиозни въпроси. То оставя материалиста свободен да отрича всяко трансцендентално Същество. За един вярващ това обезсърчава всеки опит за по-близко запознаване с Бога... което е в съответствие с думите на Исая, който говори за „Скрития Бог“, скрит дори в началото на сътворението.“
Такава просветена гледна точка се споделя, трябва да се каже, далеч не от всички последователи на едно или друго религиозно вярване. Известни са както многобройни - наивни и безнадеждни - опити да се отрече Големият взрив, така и напразни опити да се види в Големия взрив "научен аргумент" в полза на божественото създаване на света. Научният подход към проблема за произхода и еволюцията на Вселената се основава на фундаментални физични закони и надеждни астрономически данни за реално наблюдавания свят.По този начин вече е възможно уверено да се проследи историята на Вселената, започвайки от първите секунди на нейното съществуване. По-нататъшният напредък към самото „начало на света“ е трудна задача, която ще бъде решена стъпка по стъпка с натрупването на нови специфични знания за природата.
Тази статия говори за историята и най-новите постижения на космологията, нейните съвременни проблеми и идеи. Нашата цел е да дадем на читателя представа за сегашния статус на космологията като точна, емпирична, наблюдателна наука. Това изглежда още по-уместно, тъй като напоследък (а наскоро и в стените на Московския университет) се правят опити да се хвърли сянка върху еволюционната космология, както и върху еволюционната теория в биологията и теорията за еволюцията на звездите в астрофизиката, върху основание, че тези науки приемат атеистичен, предполагаемо предубеден и следователно предубеден и фалшив подход към изучаването на природата и човека. Подобни атаки срещу еволюционната картина на света са една от абсурдните и нелепи прояви на нарастващата агресивна клерикална атака срещу науката и образованието, за опасността от която предупреждава наскоро публикуваното в пресата изявление на десет руски академици.
1. Кратка история на космологията.Космологията е специална наука. Негов предмет е цялата Вселена, разглеждана като едно цяло. Вселената е физическа система със свои специфични свойства, които не могат да бъдат сведени до сумата от свойствата на обитаващите я астрономически тела и физически полета. Очевидно това е най-големият по мащаб научен обект. В природата съществува в един екземпляр. От тези обстоятелства произтичат особеностите на космологията като наука. Освен това Вселената може само да се наблюдава, не е възможно да се експериментира с нея (което, разбира се, е само за добро). Не са ни дадени други вселени и няма с какво да сравним нашата Вселена. По този начин космологията се различава например от физиката на елементарните частици, която изучава обекти, които съществуват в природата в много големи количества и с които може да се експериментира по различни начини.
Друга особеност на науката за Вселената е нейната тясна връзка с философските идеи и търсения, желанието да се разбере мястото на човека в големия свят. Подобно на системата на Коперник за света някога, най-новата космология отваря безпрецедентни досега хоризонти на познание за човека и не е изненадващо, че научното познание за света се отклонява от древните космологични легенди и митове, възникнали в зората на човешката цивилизация и са включени по-специално в „свещените текстове“ на различни религии за мир. Във всички останали отношения космологията е строга научна дисциплина и основното в нея са конкретните факти за структурата и еволюцията на Вселената. На тяхна основа се изграждат физико-математически модели и теории, които могат да се считат за правилни само когато са проверени и потвърдени от преки астрономически наблюдения и физически експерименти.
Съвременната космология възниква през първите десетилетия на 20-ти век, в онази епоха, когато са създадени и теорията на относителността и квантовата теория, които сега формират основата на цялата физика, включително космологията. Историята на космологията накратко се състои от четири големи открития, които сега ще разкажем.
1.1. Космологично разширение.През 1915–1917г Американският астроном Весто Слайфър откри, че галактиките (които тогава се наричаха мъглявини) не стоят неподвижни, а се движат в пространството, като повечето от тях се отдалечават от нас. Това заключение следва от наблюдаваните спектри на галактиките и тяхното движение се проявява в изместване на спектралните линии на светлината към червения край на спектъра. Този вид „червено изместване“, както по-късно се оказа, има универсален характер: наблюдава се във всички галактики във Вселената. Единствените изключения са най-близките до нас звездни системи - например известната мъглявина Андромеда и други (по-малки) галактики, разположени на разстояния от нас, които не надвишават приблизително мегапарсеки (Mpc). (Припомнете си, че един парсек е почти точно равен на три светлинни години.) На големи разстояния всички галактики, по думите на Слайфър, „се разпространяват в космоса“.
Количествена мярка за червеното отместване е относителната величина на увеличението на дължината на вълната, т.е. разликата между записаната и оригиналната („лабораторна“) дължина на вълната, разделена на оригиналната дължина на вълната. Това количество (обикновено означавано с буквата z) се нарича просто червено отместване - като самото явление. Това е една от основните наблюдаеми физични величини в космологията. Ако стойността на червеното отместване е малка в сравнение с единица, тогава е валидна приблизителна връзка между скоростта на отдалечаване на галактиката и стойността на червеното отместване: скоростта V е равна на скоростта на светлината c, умножена по червеното отместване z. В това приближение червеното изместване може да се тълкува като ефекта на Доплер, отдавна известен във физиката.
През 1929 г. Едуин Хъбъл, който често е наричан най-великият астроном на 20-ти век, установи, че движението на отдалечаващите се галактики следва прост закон: скоростта V на дадена галактика, която се отдалечава от нас, е пропорционална на разстоянието R до нея: V = HR. Тази линейна зависимост между скоростта и разстоянието сега се нарича закон на Хъбъл, а коефициентът на пропорционалност H се нарича константа на Хъбъл. Стойността на H е постоянна в смисъл, че е еднаква за всички галактики и не зависи нито от разстоянието до галактиката, нито от посоката към нея в небето. Според съвременните наблюдателни данни, стойността на константата на Хъбъл е в диапазона от 60 до 75 км в секунда на мегапарсек (в единици, приети в астрономията).
Отдалечаването на галактиките според закона на Хъбъл сега се наблюдава до разстояния от няколко хиляди мегапарсека. За общата рецесия на галактиките се говори като за разширяване на Вселената или космологично разширение. Това е най-грандиозният еволюционен феномен на природата по отношение на пространствено-времевия мащаб. Повече информация за историята на откриването и изучаването му можете да намерите в книгата.
Първоначално законът на Хъбъл беше открит при разстояния, които не надвишават 20 Mpc, и както Слайфър, така и Хъбъл измерваха скоростите на отдалечаване на галактики, по-малки от една стотна от скоростта на светлината. В този случай можете да използвате горната приблизителна връзка между скоростта на отдалечаване на галактиките и червеното отместване, което всъщност е използвано от Хъбъл за измерване на скоростите на галактиките. От друга страна, законът на Хъбъл може да се използва за оценка на разстоянията до не много далечни галактики: като се има предвид известната константа на Хъбъл H и измереното червено отместване z, разстоянието R до дадена галактика се дава от съотношението R = c · z/H .
Но при червени премествания, сравними и надвишаващи единица, това приближение вече не е приложимо и е необходимо да се използва точна теория за разпространението на светлината в разширяващата се Вселена. В този случай зависимостта на разстоянието от червеното отместване придобива по-сложна форма. Особено интересно е, че тази зависимост включва ускорението, изпитвано от отдалечаващите се галактики. Това прави възможно измерването на ускорението, с което се движат галактиките; и знаейки ускорението, можем също да оценим силата, която определя динамиката на космологичното разширение (което ще бъде обсъдено по-долу). Разпространението на светлината в космологията се разглежда въз основа на общата теория на относителността (ОТО) на Айнщайн.
Ландау нарича общата теория на относителността най-красивата теория на физиката и никога не се съмнява в нейната правилност. И въпреки това понякога се казва, че неговата приложимост за описание на геометрията и динамиката на Вселената като цяло все още не е доказана. В този случай те най-често се позовават на факта, че общата теория на относителността е тествана експериментално много по-малко надеждно, точно и многостранно, отколкото, да речем, класическата електродинамика, отчасти поради изключителната слабост на гравитационното взаимодействие в сравнение с електромагнитното и две други фундаментални физически взаимодействия.
Но цялото развитие на физическата наука определено свидетелства в полза на общата теория на относителността. На първо място, тази теория е в отлично съгласие с целия комплекс от наблюдателни данни за Слънчевата система. В този случай GTR отдавна се е превърнал почти в инженерна наука: съвременната теория за движението на планетите е релативистка теория, която (до необходимото приближение) отчита ефектите на слабо поле в GTR. Така че полетите на космически кораби до планетите от Слънчевата система са немислими без общата теория на относителността. Дори преносимите автомобилни навигатори GPS и GLONASS работят, като вземат предвид ефектите от общата теория на относителността. Освен това през последните години бяха получени нови данни, показващи валидността на общата теория на относителността в приближението на силното поле. Например, показано е, че наблюдаваното скъсяване на орбиталния период на радиопулсара в двоичната система PSR 1913 + 16, причинено от загубата на ъглов импулс на двойната система поради гравитационни вълни, е в съответствие с прогнозата за общо относителност с точност по-добра от 0,4%. Измерената стойност на ефекта на Шапиро (закъснение на електромагнитен сигнал в гравитационно поле) в система от два радиопулсара PSR J0737-3039AB, чиято орбитална равнина лежи почти на линията на видимост, е в съответствие с прогнозата за общ относителност с точност 0,1% (!). Към днешна дата това служи като най-добрият тест на общата теория на относителността в границата на високо поле. И накрая, заслужава да се спомене фактът, че сега има около хиляда кандидат-черни дупки с маси от ~10 до един милиард слънчеви маси, чиито всички наблюдавани свойства са изключително подобни на свойствата на черните дупки, предсказани от общата теория на относителността, и в нито един случай на този огромен брой обекти, не беше възможно да се намерят никакви противоречия с GTR. Това ни позволява разумно да предположим, че общата теория на относителността е валидна и в границите на изключително силни гравитационни полета. Следователно няма реални причини да се съмняваме в легитимността на приложимостта на общата теория на относителността за решаване на космологични проблеми.
1.2. Тъмна материя.През 1932 г. немският астроном Фриц Цвики забеляза, че в допълнение към светещата материя на галактиките във Вселената трябва да има и невидими, „скрити“ маси, които се проявяват само чрез своята гравитация. Той изучава галактическия куп в съзвездието Coma Berenices, голяма формация, съдържаща хиляди звездни системи, подобни на мъглявината Андромеда или нашата Галактика. Галактиките се движат в този клъстер със скорости, достигащи хиляди километри в секунда. За да ги задържи в обема на клъстера, е необходима гравитация, която видимите, светещи маси на самите галактики не могат да създадат сами. Това изисква по-силна гравитация и според изчисленията на Zwicky тук са необходими допълнителни маси, които са приблизително 10 пъти по-големи от общата видима маса на клъстерните галактики.
По-късно, през 70-те години на миналия век, с усилията на астрономите в СССР и САЩ, беше открито, че скрити маси трябва да има не само в галактическите купове, но и в изолирани големи галактики. Y. Einasto, V. Rubin, J. Ostriker, J. Peebles и техните колеги откриха, че скрити маси образуват невидимите ореоли на големи галактики. Тези ореоли са почти сферични образувания, чиито радиуси са 5-10 пъти по-големи от размера на самите звездни системи. Голяма галактика като, да речем, мъглявината Андромеда или нашата Галактика се състои от звездна система, вградена в разпределение на невидима маса, която се простира на разстояния до стотици килопарсеки (kpc) от центъра на галактиката. Тези тъмни ореоли - като допълнителните маси в Zwicky - се проявяват само чрез гравитацията си. Невидимата материя, която изпълва ореолите на галактиките и клъстерите, сега обикновено се нарича тъмна материя. Откриването на тъмната материя е второто (след откриването на космологичното разширение) най-важно събитие в историята на космологията.
1.3. CMB радиация.През 1965 г. американските радиоастрономи А. Пензиас и Р. Уилсън откриват, че цялата Вселена е проникната от радиация, идваща към нас изотропно, т.е. равномерно от всички посоки. Това е третото от най-големите открития в космологията (описано е подробно в книгата). Максимумът в спектъра на това лъчение пада върху милиметрови вълни, а самият спектър, т.е. разпределението на лъчението по дължини на вълните или честотите, съвпада по форма със спектъра на абсолютно черно тяло. Положението на максимума в радиационния спектър съответства на температура около три градуса абсолютна. При съвременните наблюдения тази температура се измерва изключително точно: T = 2,725 ± 0,003 К. Това лъчение се нарича микровълнов фон на Вселената или също космическо микровълново фоново лъчение. Ако говорим за това на езика на кванта, тогава можем да кажем, че в света има равновесен газ от фотони, които равномерно запълват цялото пространство. Всеки кубичен сантиметър от Вселената съдържа приблизително 500 реликтни фотона.
Това откритие е удостоено с две Нобелови награди. Първият беше присъден през 1978 г. на Пензиас и Уилсън, а вторият през 2006 г. на Дж. Смут и Дж. Матер, които дадоха окончателно доказателство (през 1992 г.), че спектърът на излъчване наистина е "черно тяло". Това е направено с помощта на американския спътник COBE (COsmic Background Explorer). Освен това COBE измерва слаба - на ниво хилядни от процента - анизотропия на фоновата радиация. Последното е „отпечатък“, оставен върху реликтния фон от първоначално слабите нееднородности на материята на ранната Вселена; По-късно тези нехомогенности (кондензации на материя) дават началото на наблюдаеми мащабни космически структури - галактики и купове от галактики (вижте за това в книгата).
Имайте предвид, че космическото фоново лъчение е регистрирано през 1957 г. в обсерваторията Пулково с помощта на рупорна антена, построена от T.A. Шмаонов, С.Е. Khaikin и N.L. Кайдановски. Но, уви, тогава никой не придаде значение на това. Слабата анизотропия на радиацията е забелязана за първи път от I.A. Струков и неговите сътрудници (Институт за космически изследвания на Руската академия на науките) с помощта на руския космически кораб "Реликт". От SAI MSU в този експеримент участва докторът на физико-математическите науки, професор М.В. Сажин.
1.4. Тъмна енергия.През 1998–1999г две международни групи наблюдатели, едната от които ръководена от Б. Смид и А. Райс, а другата от С. Пърлмутер, установиха, че наблюдаваното космологично разширение се случва с ускорение: скоростта на отстраняване на галактиките се увеличава с времето (това е описани по-подробно, например в книги и скорошни прегледи). Откритието е направено чрез изучаване на далечни експлозии на свръхнови от определен тип (Ia), които са забележителни с това, че могат да служат като „стандартни свещи“, тоест източници с известна присъща светимост; Това свойство е забелязано от астронома на SAI професор Ю.П. преди много години. Псковски. Поради изключителната си яркост, свръхновите могат да се наблюдават на много големи, наистина космологични разстояния, на хиляди мегапарсеки от нас. Както казахме по-горе, именно на тези разстояния се проявява ефектът на ускорението.
„Обикновената“ материя не е в състояние да ускори галактиките, а само забавя тяхното разширяване: взаимната гравитация на галактиките има тенденция да приближава една до друга. Следователно фактът на ускорено разширяване, открит от астрономите, показва, че наред с обикновената материя, която създава гравитация, Вселената съдържа и специална космическа енергия, непозната досега нито от астрономически наблюдения, нито от физически експерименти, която създава не гравитация, а антигравитация - обща отблъскване на естествени тела . Освен това в космологичен мащаб антигравитацията е по-силна от гравитацията. Новата енергия се нарича „тъмна енергия“. Тъмната енергия е наистина невидима – тя не излъчва, не разсейва и не поглъща светлина (или каквито и да било електромагнитни вълни); проявява се само чрез своята антигравитация.
Въз основа на комбинация от различни наблюдения сега е установен делът на всеки космически компонент в общия енергиен баланс на съвременната Вселена. Тези компоненти сега се наричат видове космическа енергия. Тъмната енергия представлява приблизително 75% от световната енергия; делът на тъмната материя е 20%, делът на обикновената материя (обикновено наричани бариони) е около 5%; делът на радиацията е по-малък от една десета от процента. Това е рецептата за "енергийната смес", която изпълва съвременната Вселена.
Забележително е, че три от четирите фундаментални открития в космологията, които описахме сега, първоначално са били предсказани теоретично. Феноменът на космологичното разширение е предвиден през 1922–1924 г. Петербургският математик А.А. Фридман, който днес се превърна в общопризнат класик на науката за Вселената (за творчеството и живота му вижте книгата). Съществуването на фоново електромагнитно излъчване с температура от няколко градуса по Келвин е предсказано през 1948–1953 г. Г.А. Гамов, някога студент на професор Фридман в университета в Санкт Петербург (Ленинград). Според теорията на Гамов за Големия взрив (виж), това излъчване е остатък, реликва от някогашното много горещо първоначално състояние на Вселената, което се е случило в първите минути на нейното разширяване. Що се отнася до космическата антигравитация, ясна представа за нея се съдържа в работата на Айнщайн (1917 г.), която полага основите на съвременната космологична теория. Само тъмната материя не е била предсказана теоретично - този тип материя или енергия не е включена в стандартния модел на фундаменталната физика.
2. Реалността на Големия взрив: Космическа еволюция.В космологичната литература (много обширна и разнообразна днес) на думите „Големият взрив“ не винаги се дава едно и също значение. Понякога това се разбира като хипотетично събитие, в резултат на което е възникнала Вселената и е започнала нейната по-нататъшна история. Не е съвсем ясно обаче дали в този случай трябва да се говори конкретно за възникването на света „от нищото“ или по-скоро за някакво ново възраждане от нещо, което някога е съществувало. Както и да е, в момента нищо не се знае със сигурност за физиката зад това събитие. По този повод хората понякога си спомнят мита за божественото създаване на света, древните космогонични легенди. Но както каза известният космолог Жорж Леметр (който също е бил професионален теолог, абат и президент на Папската академия на науките във Ватикана), космологичната теория, която допуска специално, уникално първоначално състояние на света, „остава напълно настрана от всякакви метафизични или религиозни въпроси. То оставя материалиста свободен да отрича всяко трансцендентално Същество. За един вярващ това обезсърчава всеки опит за по-близко запознаване с Бога... което е в съответствие с думите на Исая, който говори за „Скрития Бог“, скрит дори в началото на сътворението.“ Но такава просветена гледна точка се споделя, трябва да се каже, не от всички последователи на едно или друго религиозно вярване. Известни са както многобройни - наивни и безнадеждни - опити да се отрече Големият взрив, така и напразни опити да се види в Големия взрив "научен аргумент" в полза на божественото създаване на света.
Най-често във физиката и астрономията Големият взрив се нарича не първоначалното събитие от космическата история, а целият процес на универсалното разширяване на Вселената, разгръщащ се в пространство-времето. Този процес е придружен от дълга и изпълнена със събития космологична еволюция, непрекъсната верига от промени и трансформации във Вселената. Забележете, че ключовата дума тук е „еволюция“, която е толкова неприятна за клерикалните критици на космологията, които неоснователно отхвърлят в тази наука (както и в биологията) всичко, което според тях противоречи на религиозния светоглед. Междувременно изясняването и надеждното доказателство за основните характеристики и етапи на еволюционното развитие на Вселената е едно от най-важните постижения на съвременната естествознание. Нека сега представим редица конкретни наблюдателни факти от еволюционната история на Вселената.
2.1. Отстъплението на галактиките.Най-важният от всички тези факти е, разбира се, самият феномен на космологичното разширение. Вече казахме, че космологичното разширение е открито от наблюдения на движенията на галактиките преди почти сто години. Това откритие е издържало проверката на времето и през годините оттогава са направени необходимите изменения и пояснения в описанието на количествените модели на това явление. Имаше обаче и опити да се опровергае самият факт на космологичното разширение. Твърдеше се например, че ефектът на Доплер (до който се свежда описанието на червеното изместване в областта на ниските скорости) е експериментално потвърден само в ограничени пространствени мащаби и може да не е валиден за големи космологични разстояния. По едно време самият Хъбъл, откривателят на космологичното разширение, беше склонен към гледната точка, че проблемът не е ефектът на Доплер, а „стареенето на светлината“ по пътя й от галактиките към нас. Според един негов съвременник сякаш сър Исак Нютон се появил и казал: „Между другото, господа, за тази ябълка... Виждате ли, тя наистина не пада“.
Идеята за светлинно стареене напълно противоречи на общите закони на физиката - това беше строго доказано през 30-те години на миналия век. Както вече казахме, светлината се разпространява по нулеви геодезични линии в пространство-времето и ефектът на Доплер (в приближението на относително ниски скорости) и червеното отместване са преки следствия от това фундаментално общо обстоятелство. Валидността на стандартната теория за разпространението на светлината е проверена и потвърдена от целия набор от многобройни експерименти и астрономически наблюдения - включително на космологични разстояния. Както може да се види например от известната „Теория на полето“ на Ландау и Лифшиц, картината на разпространението на светлината в космологията е проста и естествена; Тук няма и не може да има място за съмнения.
2.2. Наблюдавайки миналото на Вселената.Общата картина на разпространението на светлината позволява да се разбере при какви условия в един разширяващ се свят е възможно да се измерват не само скоростите, но и ускоренията на галактиките: както вече казахме, тук са необходими много големи разстояния . По този начин беше установено, че до разстояния от около 7 милиарда светлинни години тези ускорения са положителни: скоростта на отстраняване на галактиките се увеличава с времето. Но на още по-големи разстояния ускорението, както се оказва, променя знака - там то е отрицателно и следователно на тези изключително големи разстояния космологичното разширение става със забавяне.
Нека сега вземем предвид, че светлината се разпространява в пространството не моментално, не безкрайно бързо, а с определена крайна скорост. Това означава, че виждаме обектите такива, каквито са били, когато са излъчвали светлината, която получаваме сега. Виждаме слънцето със закъснение от 8 минути; Виждаме галактики, разположени на разстояние от 7 милиарда светлинни години, каквито са били преди 7 милиарда години. Телескопът е истинска машина на времето, която ви позволява да видите миналото на света със собствените си очи. Можем да кажем, че чрез наблюдение на далечни галактики ние виждаме и изследваме четириизмерното пространство-време.
Сегашната възраст на света е 13,7 милиарда години: това са най-новите космологични данни по този въпрос, получени в резултат на комбинация от различни независими наблюдения. Тази стойност е най-дългата продължителност, емпирично изчислена в природата. Току-що казаното за космологичното ускорение означава, че през първата половина от своята история Вселената се е разширявала със забавяне, а втората с ускорение. По този начин стана известен най-важният крайъгълен камък в динамичната история на Вселената - моментът на смяна на знака на космологичното ускорение.
През първата половина от своята история разширяващата се Вселена практически не усещаше наличието на тъмна енергия в себе си - тогава плътността на материята (тъмна материя и бариони) беше значително по-висока от плътността на тъмната енергия. Факт е, че плътността на тъмната енергия не зависи от времето, тя е постоянна стойност. И плътността на материята намалява по време на разширяването, така че в миналото е била по-висока от сега; поради тази причина до определен момент гравитацията на материята е била по-силна от антигравитацията на тъмната енергия. Тези две сили станаха равни по величина преди приблизително 7 милиарда години: отначало материята преобладаваше и нейната гравитация забави разширяването на галактиките, а след това настъпи ерата на преобладаващата тъмна енергия и нейната антигравитация стана по-силна от гравитацията на материята . Тази ера на антигравитация и ускорено космологично разширение продължава и до днес и ще продължи безкрайно в бъдеще.
Максималните разстояния, постижими с най-добрите съвременни астрономически инструменти, са приблизително 10 милиарда светлинни години - на такива разстояния се виждат най-ярките галактики и квазари. Така че космическата еволюция през последните 10 милиарда години от живота на Вселената вече е достъпна за пряко наблюдение и подробно изследване. Това са добри две трети от историята за Големия взрив и тя се развива, може да се каже, точно пред очите ни. Астрономите планират да създадат сложни и скъпи космически и наземни инструменти (по-специално гигантски оптичен наземен телескоп с огледало с диаметър 42 m), които ще позволят да се наблюдава Вселената в състояние, когато нейната възрастта е била по-малка от един милиард години, т.е. по-директни наблюдения ще бъдат достъпни за 90% от цялата история на света.
2.3. Горещ старт.Галактиките не винаги са съществували във Вселената; те са с 1–2 милиарда години по-млади от нея. През първите 1–2 милиарда години космическата материя е била равномерно смесена и равномерно разпределена в пространството; По това време не е имало галактики; те все още не са се образували. Тогава плътността на материята е била много по-висока от средната плътност на материята в сегашната Вселена и дори от плътността вътре в съвременните галактики. Възможно ли е да видим Вселената в това ранно състояние, когато в нея не е имало галактики? Да, това е възможно: за това трябва да изследвате космическото микровълново фоново лъчение.
Да приемем (следвайки Гамов), че материята на ранната Вселена е била не само плътна, но и гореща. Тогава трябва да е имало термодинамично равновесно електромагнитно излъчване в космическата материя, което се е запазило по-късно и до съвременната ера. Ако ранната Вселена е била студена и материята е имала нулева температура по това време, тогава такова излъчване не би трябвало да съществува. Това осигурява ясен тест "да-не" за определяне на температурата на ранната Вселена. Отговорът „да – радиация съществува“, получен при наблюдения (виж по-горе), напълно решава въпроса: ранната Вселена е била гореща.
При високи температури на материята в ранната Вселена космическата материя е била йонизирана и средата е била плазма. Радиацията взаимодейства ефективно с плазмата и беше в термодинамично равновесие с нея. Но средата се охлади поради космологично разширение и веднага щом температурата падна под около 3000 K, плазмата се рекомбинира: електроните се комбинират с йони и плазмата се превърна в газ от неутрални атоми. Това се случи, когато светът беше на 330 хиляди години. Тогава фотоните на космическата радиация престанаха да взаимодействат с материята и оттогава се разпространяват свободно. Те запазиха и донесоха до нас снимката на „последната разсейваща стена“, както говорят радиоастрономите.
каква е тази снимка Резултатът от наблюденията е, че реликтните фотони идват при нас изотропно, равномерно от всички посоки в пространството. Следователно картината, която дават, е проста и монотонна: това е плътен фон, върху който почти нищо не е нарисувано. Изглежда, че картината е бедна на информация. От самия този факт обаче веднага следва едно изключително важно заключение: материята на ранната Вселена наистина е била разпределена хомогенно (или почти строго хомогенно - с точност до хилядни от процента) в ерата на последното разсейване на фотоните. Според общата теория на относителността пространството, равномерно запълнено с материя, само по себе си трябва да бъде хомогенно. По този начин научаваме за пространствената геометрия на ранната Вселена. Изотропността на реликтния фон затвърждава този извод: пространството трябва да бъде не само хомогенно, но и изотропно - всички посоки в него са равни. Такова пространство има максимална симетрия: то изглежда еднакво за всякакви смени и завъртания на референтната система.
Така с помощта на космическото микровълново фоново лъчение се записват стриктно физическото състояние на света и неговите геометрични симетрии в ранната ера, когато в него все още не са се образували галактики. И това не е всичко, което може да ни каже космическото микровълново фоново излъчване.
2.4. Космосът на Големия взрив.Наблюденията на реликтния фон позволиха през последните години да се доближим до решаването на един от основните въпроси на космологията - въпросът за геометрията на триизмерното изотропно пространство, в което се отдалечават галактиките. От времето на Айнщайн и Фридман е известно, че изотропното пространство по принцип може да бъде или евклидово (плоско), или извито, подобно на повърхността на сфера или хиперболоид (пространство на Лобачевски). Кой от тези три вида геометрия се реализира в природата?
Подробно изследване на фината структура на космическото микровълново фоново лъчение, започнато от космическите кораби Relikt и COBE, а след това успешно продължено през последните години от американския апарат WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), направи възможно да се установи, че на униформа космически микровълнов фон всъщност има определен „петнист“ модел: това са слаби - на ниво хилядни от процента - отклонения от идеалната еднородност на фона. Както споменахме по-горе, тези отклонения представляват „отпечатък“ на слаби нееднородности - компресия и разреждане на космическата среда, които по-късно са породили галактиките и техните системи. При компресии температурата на излъчване е малко по-висока от средната - това дава ярки (спрямо средния фон) петна, а при разреждане - малко по-ниска, а тук се появяват относително тъмни петна. Освен това степента на отклонение от фона варира от място на място и между светли и тъмни петна. Тази сложна картина улавя (кодирани, може да се каже) най-важните физически характеристики както на самите протогалактични нередности, така и на цялата Вселена. Предизвикателството пред изследователите е да извлекат и осмислят богатата космологична информация, която ни носи космическото микровълново фоново лъчение. За тази цел се използват данни за целия набор от петна с различна яркост и ъглов мащаб.
Особено интересни са най-ярките петна в реликтовия фон. Две такива съседни петна съответстват на две протогалактични кондензации, които по време на ерата на космическата плазмена рекомбинация са били разположени на много специфично характерно разстояние едно от друго. Теория за образуването на галактики, базирана на класическата работа на E.M. Лифшиц (публикуван през 1946 г.), казва, че това характерно разстояние се определя от възрастта на света в ерата на рекомбинацията; тази възраст е добре известна - 330 хиляди години (виж по-горе). Линейното разстояние между две кондензации съответства на определен ъгъл между посоките в пространството на двете съответни светли петна. Освен това връзката между ъгловите и линейните разстояния зависи от геометрията на пространството: в сферичното пространство ъгълът, който ни интересува, е един градус и половина, в хиперболичното пространство - половин градус, в плоското пространство - един градус.
Оказа се, че характерното ъглово разстояние между съседни ярки петна е равно на един градус (с точност до 2%). Това означава, че пространството, в което се извършва космологичното разширение, е плоско. Или поне практически плосък, много близо до плосък. Оказва се, че природата е предпочела най-простата версия на пространствената геометрия на света. Така стана известна геометрията на космоса, нещо, за което космолозите мечтаеха почти сто години.
2.5. Първичен термоядрен реактор.От геометрията на света нека се върнем отново към неговата история. Стандартната ядрена физика и термодинамика позволяват да се изследват физическите условия в космическата среда в онези ранни епохи, когато е имало не само галактики или звезди, но дори сложни атомни ядра не са могли да съществуват. Това е състоянието на света в първите секунди (!) на космологичната еволюция. Ядрената физика е въведена в космологията от Гамов през 1940-1950 г., който преди това е станал класик на ядрената физика (през 1929 г. той създава теорията за алфа-разпада на атомните ядра).
В теорията на Гамов за горещата Вселена температурата на космическата среда може да достигне толкова високи стойности (много милиарди градуси), че топлинната енергия на частиците е по-голяма от енергията на свързване на нуклоните в атомните ядра. При такива условия космическата плазма е била смес от протони, неутрони и електрони. Но тъй като плазмата се охлажда поради космологично разширение, температурата спада и при стойност от около няколко милиарда градуса в космическата среда започват термоядрени реакции (като във водородна бомба), по време на които се образуват ядра хелий-4, всяко от които съдържа два протона и два неутрона. Точно изчисление, направено след Гъмов Я.Б. Зелдович, Р. Вагонер и други физици показаха, че в първите три минути в такъв космически термоядрен реактор се образува приблизително 25% хелий (по маса). Този дял от хелий трябва да остане до настоящата ера. В моменти, надвишаващи три минути, ядреният синтез спира: поради бързото космологично разширение температурата на веществото пада до такива стойности, при които вече не се случват термоядрени реакции на синтез на хелий.
И отново директен тест: колко реликтов хелий има в съвременната космическа среда? Данните от наблюденията казват: приблизително 25% от масата. Има пълно съгласие между теорията за първичния термоядрен синтез и реалното изобилие от хелий във Вселената. Тази теория също добре обяснява космическото преобладаване на реликтовите ядра на хелий-3, деутерий и литий-7.
Този най-важен резултат разширява познанията ни за историята на Вселената до онези много древни времена, когато всички разстояния в света са били милиард пъти по-малки от днешните, а възрастта на света е била само няколко минути. От ерата на първичните термоядрени реакции космологичната еволюция е надеждно проследена и стриктно документирана чрез данни от наблюдения.
2.6. Два нови факта.Сред другите доказателства за космическата еволюция си струва да споменем съвсем скорошни факти, които напоследък бяха бурно дискутирани. По време на космологичното разширение, плътността на всички невакуумни енергии намалява. По-специално, броят на реликтните фотони на единица обем намалява. Това очевидно означава, че в миналото е имало повече фотони на единица обем, отколкото сега. Оказва се, че това заключение може да бъде пряко потвърдено в наблюдения. Действително Д.А. Варшалович (Санкт-Петербургски физико-технически институт на името на А. Ф. Йофе) обърна внимание на една особеност в спектрите на някои прости молекули, наблюдавани в космическата среда на големи разстояния, където всички разстояния в разширяващия се свят са приблизително три пъти по-малки от настоящи. Оказва се, че популацията от възбудени нива в тези молекули е значително по-висока от тази на същите молекули на близки разстояния. Но тези възбудени нискоенергийни състояния възникват под въздействието на фотони от космическото микровълново фоново лъчение. И фактът, че населението на тези нива в миналото е било високо, директно ни казва, че тогава е имало много повече реликтни фотони (на единица обем), отколкото сега.
Друг интересен факт беше открит при наблюдения на мощни изблици на космически гама лъчи. Физическата природа на самото явление все още не е много ясна, но е уверено установено, че тези изригвания най-често се случват на много големи разстояния, съответстващи на червени премествания, които понякога забележимо надвишават единицата. Наскоро беше открито, че записаната продължителност на космическите гама-лъчи зависи от стойността на червеното отместване (т.е. разстоянието до тях). От най-отдалечените от тях, които показват червено отместване от около 6, радиацията пътува толкова дълго, че всички разстояния в света се увеличават през това време с около 7 пъти. Оказа се, че записаната продължителност на тези изригвания също е няколко пъти по-голяма (средно) от тази на подобни събития, наблюдавани на относително близки разстояния. Това по същество е същият ефект на червено отместване. Последното, както знаем, се проявява в това, че периодът на електромагнитните трептения в приетата светлина е по-голям от периода на същите трептения в момента на излъчване. Но в един разширяващ се свят се увеличават не само периодите на колебания; в него се увеличават всякакви периоди от време - и освен това, според същия закон. Така че наблюдаваното увеличение на продължителността на гама-изблиците с увеличаване на червеното отместване е друга пряка индикация за разширяването на света.
Подобен ефект беше забелязан преди това при наблюдения на експлозии на свръхнови. При малки разстояния продължителността на изригването се измерва например с четири седмици, а при червено отместване от единица наблюдаваната продължителност на изригванията на звезди от същия тип (Ia) се оказва осем седмици. При свръхновите този ефект е още по-изразен, отколкото при гама-изблиците.
3. “Тъмен сектор” на космологията.Изследването на „тъмния сектор“ на космологията, който представлява повече от 95% от цялата енергия/маса в съвременния свят (виж по-горе), сега излиза на преден план на космологичните изследвания, превръщайки се в централна задача на науката за Вселената и всъщност цялата фундаментална физика. Говорим преди всичко за наблюдателни, емпирични изследвания на тъмната материя и тъмната енергия. Директни указания както за самото съществуване на тези необичайни типове космическа енергия, така и за техните най-важни физически свойства следват от внушителен брой независими факти от различни видове наблюдения.
Да започнем с тъмната материя. Проучването му продължава повече от 70 години и към днешна дата надеждна информация за него следва от следните данни.
3.1. Кинематика на галактики в големи купове.Започнато от Zwicky (виж по-горе), сега се извършват измервания на скоростите на галактиките в голям брой галактически клъстери и тези измервания неизменно показват, че скоростите на галактиките са толкова високи (около хиляда километра в секунда), колкото в клъстера, в който през 30-те години на ХХ в проучен от Цвики. Така нов обширен наблюдателен материал потвърждава първоначалното фундаментално заключение за наличието на тъмна материя в света.
3.2. Рентгенов газ в клъстери.Големи клъстери от галактики се наблюдават в рентгенови лъчи с помощта на орбитални астрономически обсерватории. Тези наблюдения позволиха откриването на горещ йонизиран газ в по-голямата част от клъстерите; Този газ служи като източник на рентгеново лъчение. Температурата на газа е близо до сто милиона градуса и тази температура съответства на средните скорости на протоните - плазмените частици, които практически съвпадат със скоростите на галактиките в тези клъстери (хиляди километри в секунда). По този начин рентгеновите наблюдения предоставят независим аргумент в полза на тъмната материя в клъстерите: горещият газ на клъстерите не се разпръсква в околното пространство, защото е потопен в дълбока потенциална яма, създадена главно от мощната гравитация на тъмната материя.
3.3. Ефектът на Суняев-Зелдович.Горещият газ от клъстери като индикатор за тъмна материя се проявява в наблюденията на космическото микровълново фоново лъчение. Разсейвайки се върху горещите електрони на междугалактическия газ от клъстери, студените фотони на космическото микровълново фоново лъчение придобиват допълнителна енергия. В резултат на това при наблюдение на определена честота в дълговълновата (Rayleigh-Jeans) част от спектъра се открива „тъмно петно” на реликтовия фон по посока на клъстера. Този ефект е уверено записан в множество съвременни наблюдения. Той независимо показва реалното наличие на горещ газ в галактическите клъстери, което от своя страна води до заключението за наличието на тъмна материя в клъстерите.
3.4. Ефект на гравитационната леща.Клъстерите от галактики създават ефекта на Айнщайн на отклонение на светлинен лъч от гравитационното поле. В този случай далечни галактики и квазари служат като източник на светлина. Изображенията на галактиките се изкривяват, когато светлината им преминава през гравитационното поле на клъстера, което служи като вид гравитационна леща. Прави се разлика между силна и слаба леща. При силни лещи изкривяването е толкова значително, че се появяват множество изображения на източника. Това се случва, когато ъгловото разстояние между посоката към лещата и посоката към източника е сравнително малко. При относително големи ъглови разстояния изкривяването не е толкова значително (слаби лещи) и се свежда до промяна във видимата форма на източника, но без да се смачква изображението му. И в двата случая този ефект дава индикация за масата на клъстера, служещ като гравитационна леща. Чрез изучаване на такива изкривявания за стотици хиляди и милиони отдалечени галактики е възможно да се получи информация за големината и разпределението на масата в куповете от лещи. Наблюдения от този вид последователно показват, че клъстерите съдържат големи маси тъмна материя, няколко пъти по-големи от масата на обикновената материя, която съдържат.
3.5. Местна група.Нашата галактика, заедно с мъглявината Андромеда и няколко десетки други (малки) галактики, образува система, наречена Местна група. Двете основни галактики от групата се приближават една към друга и разстоянието между тях и относителната скорост на приближаване могат да имат наблюдаеми стойности само ако обемът на групата съдържа тъмна материя, чиято маса е значително (около 5- 10 пъти) по-голяма от общата маса на звездите на всички нейни галактики.
3.6. Сателити на галактиката.Нашата Галактика е заобиколена от рояк галактики джуджета, които са нейни спътници. Наблюдаваната кинематика на тези спътници ни позволява да оценим общата маса, която държи галактиките джуджета в техните орбити. Тази маса е значително (около 5-10 пъти) по-голяма от общата маса на звездите на Галактиката и нейните спътници. Допълнителна невидима маса - тъмната материя на Галактиката - образува разширено невидимо хало (вече беше споменато по-горе), в което се движат сателитни галактики. Радиусът на халото е 5-10 пъти по-голям от радиуса на звездния диск на Галактиката.
3.7. Мъглявината на Андромеда.Същият ефект се наблюдава в кинематиката на сателитните галактики джуджета на мъглявината Андромеда. Това означава, че тъмната материя на Местната група е концентрирана главно в отделните тъмни ореоли на нейните две гигантски галактики. Подобно на вече споменатите факти, това обстоятелство доказва, че тъмната материя е среда, която може да се струпва под въздействието на гравитацията, за разлика от тъмната енергия, която най-вероятно е равномерно разпределена в пространството (виж по-долу).
3.8. Тройни системи от галактики.Наблюдаваната кинематика на десетки тройни системи, образувани от големи галактики, подобни на нашата Галактика, показва, че тези системи съдържат тъмна материя, съдържаща се главно в отделни хало галактики. И в този случай масата на тъмната материя също е значително (3-10 пъти) по-голяма от общата маса на светещата материя на самите галактики.
3.9.Въртене на спиралните галактики.Зависимостта на скоростта на въртене на спиралните галактики от разстоянието до центъра на галактиката (крива на въртене) в момента е известна за много десетки изолирани галактики. Той може да бъде проследен както вътре в самата звездна система, така и извън нея (чрез движение на облаци от неутрален водород) до разстояния, надвишаващи 3-10 пъти радиуса на звездната система. В областта извън видимия диск на галактиката - където доминира тъмната материя на галактическия ореол - кривата на въртене има тенденция да стане плоска, така че скоростта на въртене е практически независима от разстоянието. Във всички случаи ходът на тази „плоска“ зависимост определено показва наличието на тъмна материя както вътре, така и извън звездната система, а масата на тъмната материя в галактическия ореол е 3-10 пъти по-голяма от масата на звездната система. .
Имайте предвид, че в миналото са правени опити да се обяснят бързите движения на галактиките в клъстери и „плоските“ криви на въртене на галактиките, без да се включва тъмната материя – чрез модифициране на закона за гравитацията на Нютон на големи разстояния. Тази идея обаче трябваше да бъде изоставена поради факта, че в този случай за всеки отделен клъстер и всяка отделна галактика беше необходимо да се въведе своя собствена специална модификация на гравитацията.
3.10. Космогоничен процес.Тъмната материя играе ключова роля във формирането на галактиките и техните системи. Това определено се посочва от теоретичните изследвания и детайлните компютърни симулации на възникването и еволюцията на мащабна космическа структура. Без тъмната материя светът би бил съвсем различен, напълно различен от реалния. Той няма да съдържа например клъстери от галактики с горещ рентгенов газ.
Изключително важно е всички изброени независими резултати да са в пълно количествено съответствие помежду си. Изглежда така, сякаш десет различни линии се пресичат в една точка! Това е силата на емпиричната основа на съвременната космология.
Нека сега да преминем към тъмната енергия. Индикации за неговото съществуване следват от следните независими данни.
3.11. Ускоряване на космологичното разширение.Това явление (вече споменато по-горе) в космологичен мащаб е открито въз основа на данни за няколко десетки от най-отдалечените свръхнови. В момента наблюдателите вече имат материал за двеста от тези звезди и новите данни напълно потвърждават първоначалния резултат. От тези наблюдения е възможно да се определи количествено плътността на тъмната енергия като физически агент, който създава космическа антигравитация и причинява ускорено разширяване. По този начин те откриват, че плътността на тъмната енергия в наблюдаваната Вселена е 3-4 пъти по-голяма от средната плътност на тъмната материя (виж по-горе). Следователно не е изненадващо, че антигравитацията, създадена от тъмната енергия, е по-силна в настоящата ера на гравитация, създадена от тъмна материя (заедно с бариони и радиация).
3.12. Критична плътност.Точните измервания на слабата анизотропия на реликтния фон и подробното изследване на неговата петниста структура позволиха да се установи, че триизмерното пространство на Големия взрив е или строго плоско, или почти плоско (виж по-горе). От това обстоятелство следва един важен извод. Според теорията на Фридман, геометрията на пространството е уникално свързана с връзката между общата плътност на света и така наречената критична плътност, която се определя от скоростта на разширяване на света и се изразява чрез константата на Хъбъл (константата на Хъбъл коефициент на пропорционалност между скорост и разстояние в закона на Хъбъл - виж по-горе). Освен това в случая на плоското пространство плътността на света е равна на критичната плътност. Но ако е така, тогава от измерената стойност на константата на Хъбъл може да се оцени текущата обща плътност на света, т.е. общата космическа плътност на всички видове енергия във Вселената. Средно за големи обеми на Вселената е приблизително един ерг на сто кубически метра. Това количество може да се представи по-ясно, ако например измерим енергията в единици енергия на покой на протона; тогава посочената плътност е еквивалентна на наличието на пет протона във всеки кубичен метър пространство.
Тъй като плътностите на тъмната материя, барионите и радиацията са известни от други независими данни, следва, че е възможно да се оцени плътността на тъмната енергия като разликата между общата плътност и общата плътност на други видове космическа енергия. Разбира се, това е косвен метод за оценка. Но резултатът е важен като начин за тестване на пряката оценка, направена от наблюдения на свръхнова. Оказва се, че и двете оценки на плътността на тъмната енергия са почти идентични.
3.13. Възраст на света.Много преди откриването на тъмната енергия космолозите се тревожеха за един труден проблем: в космологичните модели, които през 1960-1980 г. се смятаха за стандартни, времето, изминало от началото на космологичното разширение, се оказа досадно малко – по-малко от възрастта на най-старите звезди в Галактиката. Разбира се, това не трябва да се случва и дори тогава И.С. Шкловски, Н.С. Кардашев, Я.Б. Зелдович предположи, че въпросът може да бъде подпомогнат от универсалното отблъскване, описано от космологичната константа на Айнщайн: в модели с ненулева космологична константа възрастта на света се оказа голяма и доста приемлива (вижте например). Така че самата възраст на най-старите обекти в света е пряка индикация за съществуването на антигравитация и тъмна енергия.
3.14. Локален поток Хъбъл.Наблюденията на движенията на галактиките до разстояния от 5–7 Mpc показват, че в този сравнително малък мащаб има редовна рецесия на галактиките според закона на Хъбъл, а константата на Хъбъл е близка до стойността от 60–75 km/s /Mpc, което е известно от наблюдения в много по-големи мащаби. Този локален поток на разширение на Хъбъл може да съществува и да има видими физически характеристики (константа на Хъбъл и дисперсия на скоростта), ако неговата динамика се определя както от гравитацията на Местната група, така и от антигравитацията на тъмната енергия, равномерно разпределена в пространството. Това дава възможност да се оцени плътността на тъмната енергия в нашата непосредствена галактическа среда: тази „локална“ плътност е близка, както се оказва, до „глобалната“ плътност (известна от наблюдения на свръхнови и космическо микровълново фоново лъчение) и може би дори точно съвпада с него. В този случай антигравитацията се оказва по-силна от гравитацията вече на разстояния, превишаващи приблизително 1–1,5 Mpc от нас. Местната група галактики има радиус не по-голям от 1 Mpc, поради което в нея преобладава гравитацията, което прави групата гравитационно свързана. И потокът на рецесията на галактиката започва точно на разстояния, малко надвишаващи 1 Mpc, така че се контролира главно от антигравитацията на тъмната енергия.
3.15. Образуване на мащабни структури.Компютърното моделиране на процесите на формиране на мащабна космическа структура, вече споменато по-горе, дава най-добри резултати, ако отчита не само тъмната материя, но и тъмната енергия, а изчислената плътност на хомогенната тъмна енергия трябва да има точно неговата наблюдавана стойност. В допълнение, реалните структури - галактики, техните групи и клъстери трябва да имат размери, които във всеки случай не надвишават определена гранична стойност, определена от масата на обекта и плътността на тъмната енергия: само тогава те могат да съществуват като гравитационно свързани системи. И това заключение се потвърждава и от данни от наблюдения.
Както виждаме, в случая с тъмната енергия има „пресечна точка“ в една точка на поне пет различни и независими линии на аргументация.
Нека подчертаем още веднъж: създаването на съвременната наблюдателна основа на космологията стана възможно благодарение на използването на напреднали астрономически технологии, които позволяват наблюдения в целия диапазон на електромагнитните вълни - от радиовълни до гама лъчение. За космологични цели се използват наземни, балонни и орбитални инструменти, оборудвани с най-добрите светлинни детектори и друго първокласно електронно оборудване. Космологичните изследвания са се извършвали и се провеждат с най-големите инструменти - това е телескопът БТА с огледало с диаметър 6 м в Специалната астрофизична обсерватория на Руската академия на науките (доскоро най-голямата в света), четири телескопи с 8 m огледала (VLT - Very Large Lelescopes) в Европейската южна обсерватория, 2 телескопа KECK (10 m) в Хавай, космически телескоп Хъбъл, радиотелескоп RATAN-600, както и космически лаборатории IRAS (инфрачервен), ROSAT, Chandra, Integral, XMM-Newton (рентгенови лъчи), COBE, Relic, WMAP (микровълново радио). В етап на подготовка са нови мащабни проекти като Radioastron и Millimetron, Spectr-Ultraviolet, Spectr-Roentgen-Gamma, Planck, SNAP, JEDM; последните два проекта са специално насочени към изучаване на тъмната енергия чрез откриване на свръхнови на големи разстояния. Вече споменахме проекта за създаване на 42-метров телескоп.
4. Проблеми, идеи, хипотези.Космологичните изследвания използват цялото богатство на съвременната физика и общите физични закони, надеждно установени и тествани в лабораторни експерименти, са приложими за изучаване на еволюцията на Вселената, като се започне поне от ерата на термоядрените реакции, от първите секунди на съществуването на света. Комбинацията от голям брой наблюдения с надеждна физическа теория вече направи възможно да се направят добре обосновани заключения относно редица ключови физически свойства на наблюдаваната Вселена. По-горе говорихме за основните, а сега нека се обърнем към текущите проблеми, идеи и хипотези в космологията (читателят може да намери по-подробно описание в нашата книга).
4.1. Много ранна Вселена.Естествено е да се запитаме: какво се е случило във Вселената преди ерата на термоядрените реакции? С известна степен на увереност можем да кажем, че космологично разширение е имало и в по-ранни времена, когато възрастта на света е била много по-малка от една секунда. Но преценките за най-ранните етапи на космологичното разширение стават по-малко надеждни, колкото по-дълбоко в миналото се вглеждат. Тук вече не са възможни наблюдения; Освен това, опитвайки се мислено да се доближим до самото начало на света, когато говорим за невъобразимо високи плътности и температури, ние излизаме извън обхвата на приложимост на общите закони на физиката - те са установени за други, много по-скромни стойности на физическите параметри. За да се каже нещо за онези времена, непременно трябва да се прибегне до далечна екстраполация на стандартните закони в регион, където, най-общо казано, няма обективни основания за тяхната приложимост. И все пак теориите за много ранната Вселена станаха широко разпространени през последните 20–25 години, които оперират с колосални плътности, изключително малки интервали от време и пространствени интервали – много далеч отвъд приложимостта на стандартната физика.
Това е например теорията за инфлацията, която има много поддръжници. Тя се основава на смела хипотеза за причината за космологичното разширение, представена преди четиридесет години от E.B. Глинер, който тогава е работил в Санкт Петербург (Ленинград) Phystech. Според неговата идея първоначалното ускорение на материята е създадено от антигравитацията на първичния космически вакуум. Предполага се, че самата космическа материя може да се роди от хипотетичен първичен вакуум. Многобройни опити за развитие на тази идея са довели до стотици различни теоретични модели, често доста изобретателни.
Най-интересният резултат в тази област е теорията за произхода на кондензациите и разрежданията в космическата материя - същите тези отклонения от хомогенността, които са породили галактиките и техните купове и са оставили отпечатъци в реликтния фон (виж по-горе). Тази теория е изградена от V.A. Муханов, Г.В. Чибисов (ФИАН), А.А. Старобински (ИТФ РАН). Те показаха, че такива нехомогенности могат да възникнат поради квантови флуктуации на първичния вакуум. По този начин все още не е възможно да се намери амплитудата на нееднородностите, но техният спектър (т.е. зависимостта на амплитудата от мащаба на смущенията) се оказва правилен - той е в съответствие с наблюденията на реликтния фон .
4.2. Бариогенеза.Теорията за ранната Вселена е тясно свързана с физиката на елементарните частици (тази тема е разгледана подробно в нова книга). Един от ключовите въпроси в пресечната точка на космологията и микрофизиката е барионната асиметрия на Вселената. Телата на природата, от нашата планета Земя (и всичко на нея) до най-далечните звезди, са изградени от „обикновени“ частици - протони, неутрони и електрони. Междувременно, според един от основните принципи на микрофизиката, в природата има симетрия - равенство - между частиците и античастиците. Къде са онези античастици - антипротони, антинеутрони, позитрони - които поради тази симетрия би трябвало да присъстват в света в същите количества като обикновените частици? Физиците познават добре античастиците: те се произвеждат в ускорители и се наблюдават в космическите лъчи. Но техният брой е незначителен в сравнение с броя на частиците. Каква е причината за този дисбаланс в природата?
Възможен отговор на този въпрос е предложен от A.D. Сахаров и В.А. Кузмин през 1960-1970 г. Идеята е, че симетрията между частиците и античастиците не е наистина строга, а леко нарушена. Доказано е, че дори много слаби асиметрии от този вид могат да бъдат достатъчни, за да породят, при екстремните физически условия, които са съществували в ранната Вселена, силните асиметрии, които се срещат днес. Процесът, чрез който това се случва, се нарича космологична бариогенеза.
Едно от предсказанията на тази теория е нестабилността на протона, тоест възможността за спонтанното му разпадане на други частици. Тази прогноза се тества днес във физически експеримент в редица големи лаборатории по света. Резултатът досега е следният: разпадането на протони не е открито. И ако е възможно, тогава с характерно време не по-малко от 10 на 32-ра степен на годините, което е с много порядъци по-голямо от възрастта на Вселената. Следователно въпросът остава открит. Както и да е, много дългият живот на протона е голям успех за нас самите, състоящ се от протони, електрони и неутрони...
4.3. Тъмни частици.Преди четвърт век Я.Б. Зелдович активно развива идеята, че тъмната материя може да се състои от неутрино. Космологичните неутрино (и антинеутрино) определено присъстват във Вселената; те - подобно на фоновата радиация - са остатък, реликва от горещото състояние на Вселената. Те излязоха от равновесие с материята, когато възрастта на света беше по-малка от една секунда, и оттогава те присъстват във Вселената, взаимодействайки с други видове енергия почти само гравитационно. Трябва да има около 300 от тях средно на всеки кубичен сантиметър пространство. В началото на 1980г. Изглежда, че лабораторен физичен експеримент позволява на тези частици да имат маси, подходящи за реликтови неутрино, които да играят ролята на тъмна материя. Сега обаче стана ясно, че масите на неутриното трябва да са много по-малки, така че в най-добрия случай да им се припишат около 10% от тъмната материя, не повече. Кои тогава са основните носители на тъмната материя?
Една от съвременните хипотези, израснала от идеята на Зелдович, е, че тъмната материя се състои главно, макар и не от неутрино, а от частици, които в известен смисъл са много подобни на неутрино: те са стабилни, нямат електрически заряд и участват само в гравитационни и електрослаби взаимодействия. Такива частици обаче са много различни от неутрино по маса: те трябва да са много тежки - около хиляда пъти по-тежки от протон, така че енергията на покой на такава частица е приблизително 1 erg. Такива частици все още не са известни нито на теория, нито във физическия експеримент. Ако те наистина съществуват, тогава, както показва теорията, те биха могли да присъстват във Вселената в необходимото количество. По този начин космологията стига до интересна теоретична прогноза: в природата трябва да има масивни, стабилни, слабо взаимодействащи елементарни частици, които представляват приблизително 20% от общата маса и енергия на Вселената, което е 4–5 пъти повече от приносът на барионите (протони и неутрони).
В момента се провежда директно търсене на такива частици в редица големи лаборатории по света. Също така е възможно тъмните частици да се проявят в експерименти на най-мощния ускорител, Големия адронен колайдер (LHC) в Европейския център за ядрени изследвания (Швейцария), който скоро ще влезе в експлоатация. На него частиците ще бъдат ускорени до енергии, значително по-високи от енергията на покой на тъмните частици. И ако природата е склонна да дава на тъмните частици значително повече (4-5 пъти) енергия от барионите, тогава защо такива частици да не се раждат масово в LHC?
4.4. Космологична константа.В момента се обсъждат няколко различни теоретични интерпретации на тъмната енергия. Най-простият (но също много широкообхватен) от тях се основава на предположението, че тъмната енергия се дава само от една и освен това постоянна във времето физическа характеристика, наречена космологична константа на Айнщайн. Това количество е въведено в общата теория на относителността от Айнщайн през 1917 г. в неговата космологична работа, която вече споменахме по-горе. Необходима беше нова константа на физиката, за да се гарантира, че състоянието на света като цяло остава непроменено във времето, условие, което изглеждаше задължително за Айнщайн по това време. Космологичната константа, обозначена с гръцката буква L, служи за описание на универсалното отблъскване, което е в състояние да балансира универсалната гравитация. След работата на Фридман и откритията на Слайфър и Хъбъл, идеята за статична, променяща се във времето Вселена беше изоставена. Но тогава, както каза Айнщайн, човек може да забрави за космологичната константа - поне докато не се появят обективни емпирични основания в нейна полза. Тези основи възникват с откриването на космологичното ускорение през 1998–1999 г. Космологичният модел с положителна стойност на А много добре описва наблюдаваното явление космологично ускорение и е в пълно съответствие с целия комплекс от съвременни данни от наблюдения. Това е стандартният космологичен модел днес.
4.5. Тъмната енергия е като вакуум.По предложение на Е.Б. Глинер, изразена през 1965 г., космологичната константа може да се разглежда като физическа характеристика на специален вид непрекъсната среда, идеално равномерно запълваща цялото пространство на Вселената. Плътността на тази среда е не само хомогенна, но и не зависи от времето, просто е равна (до постоянен коефициент) на стойността L. Такава среда има тези свойства във всички референтни системи. Ако приемем, че тъмната енергия наистина се описва от космологична константа, тогава тя трябва да бъде представена макроскопски като среда с постоянна плътност навсякъде и винаги. От тази идея следват специалните феноменологични свойства на тъмната енергия. Така се оказва, че тъмната енергия има налягане и то е с отрицателен знак, а по абсолютна стойност е равно на енергийната плътност (припомнете си, че енергийната плътност и налягането имат една и съща размерност).
Отрицателният натиск действително се среща в природата и технологиите; но никоя друга среда в света няма такава връзка между налягане и плътност. Както следва от теорията, тъмната енергия с такава плътност и налягане не може - за разлика от всяка друга среда - да служи като референтна система, тъй като движението и покоят спрямо нея са неразличими. Абсолютната пустота има същото свойство - пространство, напълно свободно от каквато и да е форма на енергия. Тази неразличимост на движение и покой е основното механично свойство на вакуума. Тъй като е притежавана от тъмна енергия, описана от космологичната константа, това означава, че тази среда също е вакуум. Ще наречем този специален вакуум вакуум на Айнщайн-Глинер (EG-вакуум), за да го разграничим от вакууми с различно естество, разглеждани например в квантовата механика.
Съществуват и теоретични модели на тъмната енергия, които се различават от вакуумния модел. Ако съотношението на налягането към плътността е различно от минус едно, то вече не е вакуум. Ако това съотношение е по-голямо от минус едно, тогава този вид тъмна енергия се нарича квинтесенция. Ако отношението е по-малко от минус едно, тогава в този случай говорим за фантомна енергия. Свойствата на тези хипотетични форми на тъмна енергия са интересни и (особено фантомната енергия) изненадващи. Въпреки това наблюденията сочат все повече вакуума като най-вероятната форма на тъмна енергия.
4.6. Минало и бъдеще.Стандартният модел на космологията, в който тъмната енергия е представена от космологичната константа, дава представа за енергийния състав на Вселената (виж по-горе) в различни моменти от миналото и бъдещето. В този модел плътността на тъмната енергия винаги остава същата. Що се отнася до тъмната материя, барионите и радиацията, тяхната плътност намалява поради общото разширяване на света. Поглеждайки назад във времето, можем да разберем, че например в ерата на първичните термоядрени реакции делът на тъмната енергия в общия енергиен баланс на света е незначителен, а делът на радиацията след това се доближава до 100%. Съответно в онази епоха ролята на антигравитацията в динамиката на Вселената е била незначителна и нейното разширяване се контролира почти изключително от гравитацията, създадена от радиация. Радиацията доминираше в енергията приблизително до епохата на рекомбинацията (докато възрастта на света беше около 330 хиляди години), а след това основният принос към енергията на света беше направен от тъмната материя и барионите. Тяхната гравитация стана равна по сила на антигравитацията преди приблизително 7 милиарда години (виж по-горе) и оттогава космологичното разширяване се ускорява. В бъдещето на Вселената ускоряващото се разширяване никога няма да се забави, така че Вселената ще преживее неограничено разширение, по време на което тъмната енергия на EG-вакуума ще властва над света. Последният извод - прогноза за милиарди години напред в бъдещето - е, разбира се, екстраполация, чиято пряка емпирична проверка ще могат да извършат само наблюдателите в далечното бъдеще.
Въпреки че приносът на всяка енергия към общата плътност на света варира поради космологичното разширение, има четири постоянни, независими от времето величини, които представляват четирите съответстващи енергии в стандартния космологичен модел - те се наричат интеграли на Фридман. Изненадващо, тези количества се оказват близки една до друга по порядък на величина. Интегралите на Фридман имат размерността на дължината и техните стойности варират от 0,03 до 3 милиарда светлинни години. Такова близко (по порядък) съответствие между тези количества не следва a priori от никакви закони на физиката или теоретични уравнения; по принцип тези количества могат да се различават с неограничен брой порядъци. Тяхната близост (в рамките на два порядъка) се разкрива само чрез емпиричен анализ на данните от наблюденията. Малко вероятно е този факт да се счита за проста аритметична случайност. Най-вероятно това трябва да се разглежда като индикация за съществуването на дълбока връзка между вакуумните и невакуумните форми на космическа енергия; тази връзка има характер на определена вътрешна (негеометрична) симетрия, обединяваща четири космически енергии.
4.7. Антигравитацията на Айнщайн.Защо тъмната енергия с нейната положителна плътност служи като източник на антигравитация? Факт е, че според общата теория на относителността гравитацията се създава не само от плътността на средата, но и от нейното налягане. Ефективната гравитационна плътност е сумата: плътността на средата плюс утроеното налягане (вижте например). Тъй като налягането на EG вакуума е минус плътността на енергията, неговата ефективна плътност се оказва отрицателна и равна на минус две плътности. Този последен „минус” дава универсалното отблъскване във Вселената.
Ако силата на Нютоновата взаимна гравитация на телата едно към друго се създава от собствените им маси, то антигравитационната сила, действаща върху телата, се създава не от самите тела, а от тъмната енергия, в която всички те - от елементарните частици до най-големите клъстери на галактиката - са потопени. За Нютон силата на привличане намалява с разстоянието като нейния обратен квадрат; а за Айнщайн антигравитационната сила нараства правопропорционално на разстоянието. За да дадем представа за връзката между тези сили, нека кажем, че два електрически неутрални водородни атома, потопени в EG вакуум (в отсъствието на други тела наоколо) на разстояние около половин метър един от друг, изпитват антигравитационна отблъскваща сила, равна по големина на силата на взаимното им гравитационно привличане. На големи разстояния антигравитацията е по-силна от гравитацията.
4.8. Квантов вакуум?Но какви са не макроскопичните, а микроскопичните свойства на тъмната енергия? В какво се състои? В края на 60-те години, много преди откриването на тъмната енергия, Я.Б. Зелдович обсъжда възможната връзка между космологичната константа и квантовия вакуум на елементарните частици и физическите полета. Този физически вакуум също не е абсолютна празнота; той има своя собствена ненулева енергия. Неговите носители са т. нар. нулеви трептения на квантовите полета, които винаги съществуват в пространството дори при отсъствието на каквито и да било частици в него. Ако този квантов вакуум се разглежда макроскопски като вид среда, тогава трябва да му се припише не само енергийна плътност, но и налягане. В този случай съотношението между неговото налягане и плътност трябва да бъде абсолютно същото като това на EG вакуума - тук няма други опции. Така че тези два вакуума не са ли идентични?
Би било чудесно, ако може да се докаже, че това наистина е така: обединяването на привидно различни същности е най-плодотворният начин за развитие на науката за природата, както е известно от времето на Максуел, който обединява електричеството и магнетизма. Но досега идентичността на космическия и квантовия вакуум не е доказана или опровергана. Изобщо не е ясно как това може да се направи в съвременната стандартна фундаментална теория. Освен това все още не са направени предложения как идеята на Зелдович може да бъде тествана - доказана или опровергана - във физически експеримент или астрономическо наблюдение.
4.9. Електрослаб мащаб?Но може би въпросът трябва да бъде поставен по друг начин? Някои предварителни съображения в това отношение в момента се обсъждат активно в теоретичната физика. Например Н. Аркани-Хамед и колегите му предполагат, че плътността на тъмната енергия може да се изрази (и по много прост начин) чрез характерната стойност на енергията на електрослабото взаимодействие. Последната е близо до 1 erg и на тази енергийна скала често се дава централна роля в цялата физика на частиците и полетата. Но нека си припомним, че точно такава енергия/маса се приписва на хипотетичните частици тъмна материя. Ако е така, тогава целият „тъмен сектор“ на космологията би могъл да се дефинира с една единствена енергийна скала... Трябва обаче да се каже, че истинското решение на проблема тук е все още много далече. Микроскопичната структура на тъмната енергия остава неуловима мистерия. Сега все повече се признава за един от най-належащите проблеми на цялата фундаментална наука. Физиката на тъмната енергия засяга може би най-дълбоките явления, процеси и връзки в природата.
4.10. Антропен принцип.Според С. Вайнберг проблемът с тъмната енергия се крие не толкова в самото съществуване на тази форма на енергия (вакуумът, както той смята, несъмнено трябва да присъства в света), а в специфичната стойност на нейната плътност. Ако това наистина е космологична константа, тогава защо има точно числената стойност, дадена от астрономическите наблюдения? Той намира този въпрос за необичайно труден и вярва, че за да се намери отговор, може би си струва да се обърнем към тенденция на мислене, която е популярна през последните години, известна като „антропен принцип“. (Прилагателното „антропичен” не съществуваше в нашия език досега; имаше думата „антропологичен” със същия гръцки корен, но вместо това в този случай се използва по-кратка дума, подобна на английската „антропичен”; и „хуманен” или „човек“ очевидно не е подходящ тук.)
Какво гласи антропният принцип? Една от първите формулировки (не без ирония) е дадена през 60-те години на миналия век, когато самото име на антропния принцип все още не съществува, от известния московски космолог от SAI A.L. Зелманов: наблюдаваната Вселена е това, което е, защото другите вселени се развиват без наблюдател. Иронично, ако не и по-силно, отношение към антропния принцип го съпътства от самото начало. Но дори критиците са готови да се съгласят, че в антропния принцип има привлекателен здрав разум. Солидни физически и астрономически аргументи в рамките на този подход бяха предложени в различни години от B. Carter, I.L. Розентал, Р. Дике, Дж. Бароу, други физици и космолози. Привържениците на антропния принцип обръщат внимание на първо място на факта, че нашата Вселена е добре пригодена за живот. Наистина не е нито твърде малък, нито твърде голям за човек. Той несъмнено е в зряла възраст: в него много звезди са успели да се развият и да произведат достатъчно въглерод, който съставлява атомната основа на живота. Но все още е в епохата си на разцвет, светло е и топло, което няма да е така след, да речем, 30–50 милиарда години, когато всички съществуващи звезди ще изгаснат и материалът за образуването на нови звезди ще бъде изтощен. Вселената е преминала през редица различни етапи на еволюция, започвайки от състоянието на много гореща плазма. По време на тази еволюция материята се охлаждаше и в нея нарастваха и се развиваха слаби отклонения от хомогенността, които с възрастта на света от 1–3 милиарда години се превърнаха в видими космически тела и системи. Това от своя страна породи друг вид еволюция, която в крайна сметка породи органичен живот, а след това и интелект, способен да изучава, наред с други неща, своята космическа праистория.
Особено значение се придава на несъмнения факт, че наборът от физически константи в нашия свят, както и основните природни закони, които ги управляват, определено са благоприятни за възникването и развитието на живота.
Експертите разграничават слаб антропен принцип от силен антропен принцип. Слабият принцип гласи, че ако в света има много различни вселени, ние сме на място, където животът ни е възможен. Силният принцип е по-строг: нашата Вселена трябва да бъде създадена по такъв начин, че да осигурява възможността за нашето естествено съществуване от самото начало. Във втория случай се предполага, че може да няма други вселени в света, но тогава нашата Вселена, удобна за съществуването на живот, би могла да бъде „създадена“, може би не от първия опит.
Уайнбърг предпочита идеята, че има много вселени (слабият антропен принцип), че те непрекъснато се раждат и умират и че тяхната цялост образува мултивселена, в която всичко винаги се променя, но която като цяло е във вечна квази - стационарно състояние. Множеството вселени е една от най-очарователните идеи от последните години, родена на границата на физиката и научната фантастика. Наистина, ако има много или дори безкрайно много вселени, тогава защо сред тях да не има и такива, които са подобни на нашата? В този дух се обсъжда въпросът за естеството на физическите константи в нашия свят: „нашият“ набор от константи, включително космологичната константа, е просто въпрос на случайност; възникнал е като една щастлива комбинация от огромен набор от всички възможни набори от случайни променливи.
Но както винаги във физиката, рано или късно възниква критичен въпрос: какво трябва да се наблюдава или измерва в лабораторията, за да се тества антропният принцип във всеки от неговите варианти? Няма отговор и, честно казано, отговор не се вижда. Въз основа на това мнозина смятат, че тази гама от идеи попада извън рамката на физиката като експериментална наука. Вайнбърг се съгласява: добре е винаги да се придържаме към тези граници; но стандартната физика, която сега познаваме, изглежда никога няма да се справи с проблема с тъмната енергия...
ЗаключениеНека да обобщим. През 90-те години на своето съществуване, считано от първите наблюдения на Слайфър и теоретичната работа на Айнщайн, космологията се трансформира от област на абстрактни и почти фантастични, както изглеждаше, изследвания в далечната периферия на тогавашната наука в една от централните области на естествената наука на 21 век. Има надеждна наблюдателна основа, която се състои от основни факти за Вселената. Върху него се изгражда и развива теория, тясно свързана с цялата съвременна физика, включително общата теория на относителността, ядрената физика и физиката на елементарните частици. Космологията поставя важни нови въпроси, излага проницателни идеи и хипотези и прави смели прогнози, които са в челните редици на науката. Той предоставя широка, богата и последователна картина на света, която днес се превръща в неразделна част от общата култура на човечеството. Но в живата, сложна наука винаги има открити и нерешени проблеми и трябва да има - това е източникът и резервът за нейното по-нататъшно развитие.
Литература
1. Новиков И.Д., Шаров А.С. Човекът, който откри експлозията на Вселената. М.: Наука, 1989.
2. Weinberg S. Първите три минути. М.: Атомиздат, 1982.
3. Сажин М.В. Съвременна космология в популярно изложение. М.: УРСС, 2002.
4. Черепашчук А.М., Чернин А.Д. Вселена, живот, черни дупки. Фрязино: Век-2, 2003.
5. Черепашчук А.М., Чернин А.Д. Хоризонти на Вселената. Новосибирск: Издателство на SB RAS, 2005.
6. Чернин А.Д. Тъмна енергия и универсална антигравитация // Успехи по физика. Sci. 2008. Т. 178, № 3.
7. Троп Е.А., Френкел В.Я., Чернин А.Д. Александър Александрович Фридман. Произведения и живот. М.: Наука, 1988.
8. Горбунов V.S., Рубаков V.A. Въведение в теорията за ранната Вселена. Гореща теория за Големия взрив. М.: Издателство INR RAS, 2007.
9. Зелдович Я.Б. // Успехи по физика. Sci. 1968. Т. 209, № 95.
10. Weinberg S. Да живееш в мултивселената. Във „Вселена или мултивселена?“ /Ред. B. Carr., Cambridge: Cambridge Univ. Преса, 2007. С. 14.
11. Розентал И.Л. Елементарни частици и структура на Вселената. М.: Недра, 1984.
12. Аркани-ХамедН. и др. // Phys. Rev. Lett. 2000. Т. 4434, N 85.
