Расширение Вселенной

Вплоть до начала прошлого века существовало две точки зрения на происхождение Вселенной. Те учёные, кто придерживался естественно-научных взглядов на устройство мира, полагали, что Вселенная вечна и неизменна. Богословы же говорили, что Мир сотворён и у него будет конец. Двадцатый век, в значительной степени изменивший многие научные представления, позволил по– иному взглянуть и на происхождение Вселенной.

Вначале было обнаружено, что Вселенная не остаётся в неизменном виде, а постоянно расширяется. Согласиться с этим положением, явно противоречащим привычным для научного сообщества представлениям, было непросто. Впервые гипотезу нестационарной Вселенной предложил в 1922 г. советский физик и математик Александр Александрович Фридман (1888–1925). Хотя Фридман в своих исследованиях опирался на теорию относительности, даже автор этой теории А. Эйнштейн не сразу согласился с его выводами. В 1912–1914 гг. американский астроном В. Слайфер обнаружил так называемое красное смещение галактик (рис. 182). Оно состояло в том, что спектр излучения далеких звёздных объектов оказался сдвинутым в длинноволновую (красную) сторону по сравнению с тем, каким он должен был быть на самом деле. Такое явление могло быть объяснено эффектом Доплера, о котором мы говорили в § 34, и в таком случае оно означало бы, что галактики от нас удаляются.

Рис. 182. Смещение галактик

В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл (1889–1953) обнаружил, что для далёких галактик красное смещение оказывается большим, чем для близких, т. е. дальние галактики кажутся «краснее», чем близкие. При этом степень «покраснения» возрастает приблизительно пропорционально расстоянию (закон красного смещения, или закон Хаббла). Значит, галактики, а точнее скопления галактик, разбегаются, и скорость этого разбегания тем больше, чем дальше они находятся. Это не означает, что галактики удаляются именно от Земли, т. е. что Земля является центром Вселенной. Точно такое же разбегание можно было бы увидеть из любой точки метагалактики, т. е. «все бегут от всех». Это можно легко себе представить, если нанести на надувной шарик какие– либо отметины. При надувании шарика все они будут удаляться друг от друга.

Гипотеза Большого взрыва.

Но если это так, то расширение Вселенной должно иметь начало, т. е. было время, когда вся она была сосредоточена в одной точке. Эти рассуждения привели к возникновению гипотезы Большого взрыва. Расчёты показывают, что Большой взрыв произошёл 15–20 млрд лет назад. На вопросы о том, почему он произошёл и что было до него, точного ответа нет. Современная физика может лишь с достаточной уверенностью сказать, что происходило через некоторое время после начала рождения Вселенной. Тем не менее это «некоторое время» нельзя назвать продолжительным – оно составляет 10^-43 секунды. Это такая доля секунды, где после нуля с запятой надо написать сорок два нуля, пока не появится значащая цифра. В это время будущая Вселенная представляла собой так называемую сингулярную точку, которая при ничтожных размерах содержала в себе всю энергию, которая сейчас распределена по Вселенной. Температура, которую имела эта точка, выражается тридцатидвухзначным числом. Вскоре, т. е. примерно через одну стомиллионную долю секунды, Вселенная стала расширяться, появились кварки, а затем и элементарные частицы. В это же время происходило снижение её температуры и возникли известные нам теперь четыре фундаментальных взаимодействия, которые раньше представляли собой единое целое. После этого начались термоядерные реакции, при которых протоны стали объединяться в ядра гелия^[18]. На этом этапе скорость эволюции Вселенной сильно замедлилась, и потребовалось несколько сот тысяч лет для того, чтобы возникли атомы с их электронными оболочками. В это время Вселенная наполнилась излучением, которое путешествует по ней до нашего времени. Оно называется реликтовым излучением и служит одним из доказательств теории Большого взрыва.

Расширение Вселенной, начавшееся с сингулярной точки, продолжается и в наше время. Самой интересной его особенностью, является то, что галактики разбегаются не замедленно (что должно было быть, если бы их движение тормозила сила взаимного притяжения), а, наоборот, ускоренно, как если бы их продолжала толкать какая-то сила. Для объяснения этого загадочного факта физикам пришлось ввести понятие «тёмной энергии», которая и расталкивает галактики. Сущность этой энергии остаётся ещё не вполне ясной.

Существуют и другие вопросы, связанные с Большим взрывом, на которые пока нет ответа. Например, почему в результате этого взрыва образовалось вещество, а не антивещество? По всем своим физическим и химическим свойствам оно ничем не отличается от нашего вещества, однако никогда не может вступить с ним в контакт. Если такое произойдёт, то все частицы, соединяясь со своими античастицами, аннигилируют и превратятся в кванты гамма-излучения. Если бы во время Большого взрыва образовались равные количества вещества и антивещества, они бы тут же аннигилировали и никакой Вселенной бы не существовало. Одним из возможных ответов на этот вопрос может быть гипотеза, согласно которой в начальный момент существования Вселенной вещества, так же как и антивещества, было очень много. Но случайно вещества оказалось несколько больше, чем антивещества. Всё антивещество аннигилировало, а то, что осталось от вещества, образует нашу Вселенную.

Ещё одна не вполне решённая проблема заключается в том, что основные физические константы и величины, такие как скорость света, гравитационная постоянная, постоянная Планка, массы электрона и протона, единичный заряд электрона, соотносятся между собой именно таким образом, чтобы Вселенная могла существовать. Если бы существующее соотношение хотя бы немного нарушилось, не могли бы существовать даже химические элементы, а тем более звёзды и галактики^[19], и уж совсем невероятным было бы появление жизни и разумного наблюдателя, который мог бы всё это узнать. Почему же образовалось именно такое соотношение величин, а не какое-либо иное? Существующие ответы на этот вопрос можно свести к двум вариантам.

Антропный принцип: сильный или слабый.

Сторонники «теории разумного замысла» утверждают, что вероятность возникновения такого сочетания физических величин слишком мала для того, чтобы его можно было считать случайным, а следовательно, Вселенная была создана сознательно по какому-то первоначальному Замыслу. Такая точка зрения приводит к выдвижению Сильного (или Большого) антропного принципа:

Противники этой теории настаивают на случайности такого набора физических величин и, в частности, утверждают, что наша Вселенная не является единственной. Существуют другие миры, где соотношение этих констант совсем иное, а следовательно, там не существует разумных наблюдателей. Они выдвигают Слабый (Малый) антропный принцип:

(Мир, в котором мы живём, – это мир, в котором живём мы). В настоящее время ни одна из этих точек зрения не может быть ни опровергнута, ни доказана научным путём.

Возникновение галактик, Солнечной системы и Земли

Через 1–2 млрд лет после Большого взрыва возникли галактики, а ещё приблизительно через 8 млрд лет появилась Солнечная система, возраст которой, таким образом, насчитывает около 5 млрд лет. Скорее всего, Солнце образовалось благодаря сгущению гигантского облака пыли и газа, так называемой солнечной туманности (рис. 183). Центральная часть туманности образовала Солнце, которое из-за колоссального сжатия, вызванного силой притяжения между частицами, стало уменьшаться в размерах и одновременно сильно нагреваться. Энергия сжатия настолько повысила температуру Солнца, что в нём стали возможны термоядерные реакции, которые, в свою очередь, ещё больше его раскаляли.

Рис. 183. Возникновение Солнечной системы: А – разреженный межзвездный газ стал собираться в облако; Б – вещество уплотнилось и превратилось в кольца, вращающиеся вокруг центра; В – в центре образовался газовый шар, в котором началась термоядерная реакция; Г – из газовых колец возникли планеты

Из других частей туманности возникли сгустки, которые потом стали планетами. Один из таких сгустков стал Землёй. На Земле происходили примерно те же процессы, что и на Солнце, только в гораздо меньших масштабах. Вначале температура её была настолько велика, что она представляла собой раскалённый жидкий шар. В результате этого более лёгкие соединения кремния оказались на поверхности планеты, а более тяжёлые металлы сосредоточились в её ядре. Приблизительно через миллиард лет Земля остыла, и кремниевые соединения затвердели, образовав породы земной коры. При остывании Земли выделялось много различных газов, самые тяжёлые из которых остались у поверхности планеты, образовав её атмосферу. В атмосфере присутствовали также водяные пары. Когда температура Земли стала ниже 100 °C, пары сконденсировались и образовали моря и океаны.

Проверьте свои знания

1. Что такое красное смещение галактик? С помощью какого физического эффекта можно его объяснить?

2. Когда по современным представлениям произошёл Большой взрыв?

3. Через какое время после Большого взрыва возникли атомы?

4. Что такое Сильный и Слабый антропные принципы?