Ю. В. Александров вселенная и человек

Вид материала

Закон

Содержание От Вселенной Аристотеля – к Вселенной Ньютона Релятивистская Вселенная Горячая Вселенная 4) Задача двух тел – это задача о движении одной материальной точки в поле тяготения другой материальной точки или сферически си Ю.В. Александров Космология ранней Вселенной и создание единой теории поля Антропный принцип

Подобный материал:

• Положение о конкурсе детских рисунков «Человек. Вселенная. Космос», 23.97kb.
• Опроведении регионального этапа Всероссийского конкурса юных фотолюбителей Человек., 185.29kb.
• Приказ № от 2011 г. Рабочая программа учебного курса «Твоя Вселенная» для 5 класса, 169.25kb.
• Пара, капли воды достаточно, чтобы его умертвить. Но если бы даже вселенная, 1823.9kb.
• Александров Д. Н. Личность и синдром предпринимателя, 72.06kb.
• Александров А. А, 49.6kb.
• Литература о Ломоносове М. В. в фондах библиотеки БашГУ, 55.77kb.
• Наша Вселенная имеет форму незначительно вытянутого шара. Это значит, что наша Вселенная, 217.01kb.
• Список книг, поступивших в библиотеку за июнь 2010, 960.34kb.
• Максим Александров, 82.92kb.

Ю. В. Александров

ВСЕЛЕННАЯ И ЧЕЛОВЕК

Вселенная не только необычнее, чем мы воображаем. Она необычнее, чем мы можем вообразить.

Закон Хелдейна из книги «Законы Мерфи»


Среди сложных и многообразных процессов становления человеческого сознания был и такой важный процесс. Первобытное племя, добывши всю добычу на определенном участке леса или саванны, вынуждено было мигрировать дальше и осваивать все новые и новые их районы. Столкновение в ходе этих миграций с новыми явлениями и условиями побуждало знать, а что "там, за горизонтом". В результате стало возникать и утверждаться представление о том, что мир не ограничивается тем, что непосредственно воспринимается человеком в данный момент времени (а именно так воспринимают мир животные). Так, конечно не сразу, а в долгом процессе эволюции первобытного человека у него сформировалась настоятельная потребность иметь представление об окружающем его мире в целом, о его устройстве, о силах, определяющих существование и развитие этого мира. Дать ответ на все эти вопросы, прежде всего о пространственно-временной структуре мира – стало одной из важнейших социальных функций науки, а конкретно – астрономии, ее такого раздела как космология. В первобытную эпоху и в эпоху первых земледельческих цивилизаций эта функция выполнялась донаучной астрономией в рамках единой всеохватывающей мифологической формы общественного сознания. Свидетельством этого служат многочисленные, существующие у всех народов мира, мифы, легенды, сказания о сотворении и обустройстве мира различными богами, титанами, героями.

От Вселенной Аристотеля – к Вселенной Ньютона

Историческая заслуга выделения собственно научного знания, как известно, принадлежит культуре древней Греции. Космологические представления были важной составной частью этого еще не расчлененного натурфилософского знания. Главным в идейном развитии первой (ионийской) научной школы была мысль о единстве мира, которая принимала тогда форму поиска материальной первоосновы всего разнообразия явлений, окружающих человека. В ходе этого поиска вызревало и важнейшее понятие – понятие Космоса. В это понятие вкладывался не только смысл, близкий нашему термину "Вселенная". Это понятие означало не просто "все то, что существует", а и то, что все оно объединено определенной структурой, порядком, гармонией, – в противоположность неупорядоченному Хаосу, из которого Космос когда-то возник. Причем это понятие несло не только логическую, но и эстетическую нагрузку¹. В дальнейшем понятие Космоса, освобождаясь от своей мифологической скорлупы, обогащаясь идеей развития, получило весьма завершенную форму в известном фрагменте из Гераклита Эфесского (VI-V ст. до н. э.): «Этот мировой порядок, один и тот же для всех, не создал никто ни из богов, ни из людей, но он всегда был, есть и вечно будет живым огнем, мерой возгорающимся, мерой угасающим».

Впоследствии на основе осмысления Платоном представлений об окружающем человека мире и путях его познания возникла первая космологическая модель этого мира – картина мира Евдокса-Аристотеля (IV-III вв. до н. э.). Мир, пространственно-ограниченный сферой неподвижных звезд, включал прозрачные (хрустальные) сферы – 27 сфер у Евдокса и 56 у Аристотеля). Вращение этих сфер вокруг различных осей призвано было объяснить наблюдаемые движения Солнца, Луны и пяти видимых невооруженным глазом планет. Астрономическая картина мира Евдокса-Аристотеля, несмотря на всю свою наивность с современной точки зрения, была принципиально важным явлением в развитии науки. Она стала первой в истории человечества картиной Вселенной, не созданной «никем ни из богов, ни из людей». Картиной мира уже научной, ибо ее элементы были связаны причинно-следственными связями, ибо она отображала, по крайней мере качественно, весьма большое количество частных наблюдаемых явлений, ибо была создана путем логической обработки значительного массива данных на основе некоторых общих принципов. Эта первая астрономическая картина мира органически вошла в энциклопедическое научно-философское наследие Аристотеля, создавшего и первую общенаучную картину мира.

Важнейшей чертой первой в истории космологической модели, которая потом была присуща и всем последующим картинам мира, стала ее обусловленность основными физическими представлениями своей эпохи. В основе физики Аристотеля лежал принцип абсолютности движения, абсолютности скоростей, а не ускорений. Это было обобщением производственной и бытовой практики того времени, которая показывала, что для равномерного и прямолинейного движения нужно прилагать постоянную силу (в действительности – для преодоления силы трения).

Эти же физические представления лежали и в основе следующей космологической модели, которую создала античная наука, – картины мира Гиппарха-Птолемея. Качественно новым в ней был отказ от умозрительных конструкций типа хрустальных сфер и разработка на определенных физических основаниях метода количественного описания движения небесных тел, дававшего возможность прогнозировать эти движения. Этот способ был развит в геометрической форме, вообще присущей древнегреческой математике. Это был известный способ эпициклов и дифферентов – системы кругов, в которой центр очередного круга движется по предыдущему кругу, по последнему же кругу наименьшего радиуса движется само небесное тело. Интересно, что Птолемей в своем "Альмагесте" обсуждал обе возможные системы мира – геоцентрическую и гелиоцентрическую. Но, приведя ряд соображений (справедливых, конечно, только с точки зрения физики Аристотеля), он отверг гелиоцентрическую систему.

И все же система Гиппарха-Птолемея – это огромное достижение не только астрономии, но всей человеческой культуры. Впервые в истории была создана количественная теория, которая не только обобщала большое число фактов из определенной сферы действительности, но и позволяла пользоваться ею в дальнейшей научной и производственной практике. При ее создании был реализован один из принципов научной методологии – объяснение и описание сложных процессов путем их разложения в совокупность более простых элементарных процессов. И это было сделано не только качественно, но и количественно на основе идеи последовательных приближений. С современной математической точки зрения это была теория, где впервые был применен спектральный анализ сложных периодических процессов. Причем в его важнейшем и наиболее распространенном виде – в виде Фурье-анализа. Ибо, если перевести геометрическое построение из эпициклов и дифферентов на современный аналитический язык, то получим конечные тригонометрические ряды для координат небесных тел (амплитуды и частоты которых определялись, конечно, эмпирическим путем). Другое дело, что, говоря современным языком, система отсчета в картине мира Гиппарха-Птолемея не является оптимальной, ибо геоцентрическая система существенно неинерциальная, в то время как гелиоцентрическая система весьма близка к инерциальной. Поэтому траектории движения тел в геоцентрической системе гораздо сложнее, нежели в гелиоцентрической. Соответственно и сходятся ряды Фурье в этой (Гиппарха-Птолемея) системе очень медленно. Но существенно мешать ее практическому применению это стало гораздо позже².

Господство аристотелевой физики не позволило античной науке воспринять и первую последовательно гелиоцентрическую космологическую модель, развитую Аристархом Самосским. Он сумел найти способ измерить размеры Солнца и Луны в долях радиуса Земли, убедился, что Солнце гораздо больше Земли, и оно поэтому должно быть центом мироздания. Научные идеи Аристарха оказались преждевременными. Но их нельзя недооценивать. Из искры, высеченной Аристархом из Самоса, разгорелось пламя, которым Коперник осветил путь, каким почти через два тысячелетия пошли Галилей и Ньютон.

Для того чтобы сложились условия для нового качественного скачка в космологических представлениях человечества, потребовались коренные изменения в социально-экономической жизни общества, должны были стать вполне явными недостаточность физики Аристотеля и космологии Гиппарха-Птолемея. Такие условия вызрели только в XVI веке. Но и силы, стоявшие на пути к такому скачку, были велики. Это и вся система религиозных представлений, пронизывавшая все сферы жизни общества. Это и авторитет Аристотеля, подкрепляемый не только освящением его католической церковью, но и всем «здравым смыслом» повседневного бытия, обобщением которого и было учение Аристотеля со всеми его сильными и слабыми сторонами. Для преодоления этих преград нужны были "титаны по силе духа, страсти и характеру, по многосторонности и учености» (Ф. Энгельс).

Н. Коперник, исходя из принципа относительности движения (хотя явно им еще не сформулированного) сумел отбросить основную догму античной космологии – учение о неподвижности Земли. И. Кеплер, опираясь на самые точные и обширные в дотелескопической астрономии позиционные наблюдения планет Т. Браге, преодолел идущую еще от Платона догму о только равномерных круговых движениях небесных тел. Он открыл названные его именем законы планетных движений – едва ли не первые познанные человеком законы природы. «Это астрономия открыла нам существование законов» – так оценил результаты Кеплера А. Пуанкаре в своей книге «Ценность науки».

Г. Галилей, развивая идеи гелиоцентризма и утверждая экспериментальный подход к изучению природы, пришел к основополагающим утверждениям новой физики – принципу относительности и закону инерции. Своими телескопическими открытиями он не только закрепил представления о ближнем космосе как о Солнечной системе, но и проложил путь к открытию бесконечной звездной Вселенной. На этом пути его предшественником был Дж. Бруно, который, развивая взгляды Н. Кузанского и опираясь на гелиоцентрическое учение Коперника, довел, хотя и умозрительно, представления о такой Вселенной до утверждения о существовании других обитаемых миров – вывода, в корне противоречащего не только первым же строкам Библии, но и одному из основных догматов христианства об искупительной миссии Христа³. После Галилея новую методологию науки, новый взгляд на мир развивали Р. Декарт и Х. Гюйгенс.

Упомянутые выше великие умы и были прежде всего теми гигантами, стоя на плечах которых И. Ньютон (по его собственному признанию) смог завершить полуторавековой переворот в представлениях человечества о мире, в котором оно возникло и существует. Если оставить в стороне безусловно значительные работы Ньютона по оптике, то в центре его научных свершений находится решение им задачи двух тел⁴. Но для этого Ньютону пришлось завершить создание адекватного задаче математического аппарата – основ дифференциального и интегрального исчисления, сформулировать основные понятия и законы классической механики и, наконец, открыть закон всемирного тяготения. В итоге триста лет тому назад с выходом в свет в 1686 году ньютоновых «Математических начал натуральной философии» были заложены основы нового миропредставления – о бесконечной в пространстве и во времени Вселенной, заполненной системами небесных тел, которые движутся по внутренне присущим природе и познанным человеком законам. За богом оставалась, в крайнем случае, лишь формулировка начальных условий.

А еще через столетие И. Кант в своей «Всеобщей естественной истории и теории неба», богатой новыми эволюционными идеями, поставил задачу полного исключения бога из картины мироздания, а П. Лаплас смог ответить Наполеону, что в гипотезе о боге, как источнике развития Вселенной, он не нуждается. Одновременно происходило наполнение бесконечной ньютоновской Вселенной конкретным астрономическим содержанием. В. Гершель заложил основы современных представлений о нашей звездной системе Галактике и о существовании других подобных ей систем.

Но уже в XVIII-XIX веках стали выявляться и противоречия в картине бесконечной в пространстве и во времени звездной Вселенной – парадоксы ньютоновской космологии. Фотометрический парадокс состоит в том, что в такой Вселенной в любом направлении луч зрения рано или поздно встретит звезду, и поэтому яркость неба должна быть примерно такой же, как и яркость диска Солнца. На это обратил внимание еще современник Ньютона Э. Галлей. В конце XIX веке астроном Х. Зеелигер обнаружил, что попытка вычислить силу тяготения, создаваемую в какой-либо точке всеми массами бесконечной Вселенной, не приводит к определенному результату⁵. Наконец, открытие второго начала термодинамики поставило вопрос о том, почему Вселенная, уже бесконечно долго существовавшая в прошлом, не пришла к «тепловой смерти», т. е. в термодинамически равновесное бесструктурное состояние (термодинамический парадокс). Обобщая, можно сказать, что выявилось противоречие между исходными положениями ньютоновской картины мира – ее бесконечностью во времени и пространстве и нынешним состоянием мира – структурой этого мира в виде совокупности звездных систем.

Строго говоря, разрешение этих космологических парадоксов возможно и в ньютоновском мире, но ценой наложения на его строение довольно жестких дополнительных ограничений – Вселенная должна состоять из бесконечной иерархической совокупности систем с достаточно быстрым убыванием средней плотности по мере возрастания ранга системы. Но значение этих парадоксов в развитии науки состоит в том, что их естественное разрешение в релятивистской космологии значительно облегчило восприятие человеческим сознанием новой необычной и грандиозной идеи – идеи нестационарной Вселенной.

Релятивистская Вселенная

Эту новую Вселенную, картина которой была создана наукой XX века, можно назвать Вселенной Фридмана-Гамова в отличие от Вселенной Ньютона-Гершеля, которой она пришла на смену.

Теоретической основой этих новых представлений стала теория относительности. Напомним, что в основании специальной теории относительности (СТО) лежат принцип относительности движения и принцип конечной скорости распространения любого физического взаимодействия. В общей теории относительности (ОТО) эти принципы дополняются принципом эквивалентности процессов в поле тяготения и в неинерциальной (ускоренно движущейся) системе отсчета. Как следствие этого появляется представление о тяготении, как о всеобщем свойстве материальных объектов влиять на метрические свойства пространства и времени – изменять степень их искривленности и тем самым определять поведение тел, движущихся в этом пространстве-времени. Речь идет о метрических свойствах пространства и времени потому, что математическая суть ОТО состоит в том, что распределение и движение материи определяет выражение для интервала – «расстояния» между двумя элементарными событиями в пространстве и времени. Величина интервала не зависит от выбора системы отсчета (как это следует уже из СТО), в то время как в физике Ньютона не зависящими от выбора системы отсчета являются расстояние в пространстве и промежуток времени по отдельности.

Идея нестационарной, эволюционирующей Вселенной стала наиболее значительным по своим масштабам и мировоззренческим последствиям проявлением эволюционного характера астрономии XX века. В своем современном виде эта идея является результатом применения к однородной и изотропной Вселенной основных уравнений ОТО, что впервые было сделано в 1922 году А. А. Фридманом. Решение уравнений ОТО, найденное Фридманом, оказалось математически подобным решению классической задачи двух тел в случае прямолинейного движения. Это порождало иллюзии, что парадоксы ньютоновской космологии могут быть преодолены в рамках классической физики. Но это не так, в виду совершенно различной физической интерпретации этих двух математически подобных решений. В классическом случае речь идет о движении материальной точки (или сферически симметричной совокупности таких точек) в пространстве и времени, а в релятивистском – об изменении метрических свойств самого пространства-времени.

Утверждение идеи нестационарной расширяющейся Вселенной стало одним из самых глубоких переворотов в представлениях человечества об окружающем его мире и было связано с преодолением значительных гносеологических и психологических трудностей⁶. Но сравнительно быстрому преодолению этих трудностей способствовало то, что появление ОТО и первых нестационарных космологических моделей совпало по времени с возникновением и развитием в первой четверти XX века внегалактической астрономии. Была доказана внегалактическая звездная природа ряда туманностей, получены более или менее достоверные оценки расстояний до них, определены их скорости относительно нашей Галактики. Это позволило Э. Хабблу в 1929 году сделать одно из самых значительных открытий в истории астрономии – установить пропорциональность между скоростями удаления галактик и расстояниями до них (закон Хаббла). Коэффициент пропорциональности – постоянная Хаббла (постоянная в пространстве, но не во времени) стала еще одной фундаментальной величиной, описывающей наш мир. Значение постоянной Хаббла Н важно потому, что обратная к ней величина определяет возраст Вселенной, точнее говоря, время, прошедшее от начала ее расширения. Сам Хаббл оценил постоянную Н в 500 км/с•Мпк, где Мпк (мегапарсек)  3•10²⁴ см. После ряда уточнений в многоступенчатой процедуре определения межгалактических расстояний выяснилось, ее современное значение – 50<Н<100 км/с•Мпк, что дает для возраста нашей Вселенной 6-12 млрд. лет. Темп изменения во времени постоянной Хаббла, а также радиуса кривизны пространства-времени и средней плотности материи и являются основными количественными характеристиками метрической эволюции Вселенной в различных космологических моделях⁷.

О различных космологических моделях приходится говорить в силу двух обстоятельств. Для получения однозначного решения уравнений Эйнштейна (уравнений ОТО) их нужно дополнить уравнением состояния материи, которое задается обычно в виде связи между давлением р и плотностью энергии e. Простейшее и хорошо известное уравнение состояния – это уравнение состояния идеального газа, в котором давление есть результат соударения молекул и пропорционально плотности и температуре газа. После перехода к средней энергии газа в единице объема оно приобретает вид P = (2/3)e. Фридман получил свою первую в истории нестационарную космологическую модель, использовав уравнение состояния пылевидной материи. Пылинки, в отличие от молекул, движутся медленно и практически не сталкиваются, поэтому в такой среде P=0. Во Вселенной роль «пылинок» играют звезды, в которых сосредоточена подавляющая часть вещества и которые также практически не сталкиваются между собой. Однако в прошлом так было не всегда. По мере расширения Вселенной плотность вещества уменьшается обратно пропорционально увеличению ее объема, т. е. кубу ее размера. Также пропорционально кубу размера изменяется в единице объема и число квантов электромагнитного поля – фотонов. Но одновременно увеличивается и соответствующая длина волны l, а значит, и энергия каждого фотона уменьшается в соответствии с известным соотношением, определяющим энергию фотона, Е=hv=hс/l, где h – постоянная Планка, а с – скорость света. В итоге плотность энергии электромагнитного излучения изменяется обратно пропорционально четвертой степени размера, т. е. быстрее, чем плотность энергии вещества. Поэтому, если идти в прошлое, должно наступить время, когда основная доля энергии будет сосредоточена не в веществе, а в излучении. Нынешнему периоду эволюции Вселенной, когда эта эволюция определяется уравнением состояния пылевидного вещества (стадия вещества) должна была предшествовать стадия излучения, когда характер эволюции определялся уравнением состояния излучения. Как показывается в теории электромагнитного поля, это уравнение имеет вид P=e/3. Однако в стадии излучения характер эволюции Вселенной меняется лишь количественно, поэтому обе эти стадии ее эволюции получили название фридмановских.

Второе обстоятельство связано с тем, что аналогично трем возможным типам движения в поле тяготения в ньютоновском случае – эллиптическому, параболическому и гиперболическому, расширение Вселенной на стадии вещества также может происходить, хотя и с замедлением, но по-разному. В одном случае скорость расширения обратится в нуль через конечное время после начала расширения, затем расширение сменится сжатием. Это замкнутая модель Вселенной с положительной кривизной (двумерный аналог – сфера). Во втором случае кривизна равна нулю (пространство плоское), но расширение будет продолжаться неограниченно долго со стремящейся к нулю скоростью. И, наконец, в третьем случае кривизна пространства отрицательна (двумерный аналог – поверхность, называемая псевдосферой, на ней выполняется геометрия Лобачевского). Расширение Вселенной также будет продолжаться неограниченно долго. То, какой из этих случаев реализуется, определяется сравнением фактической плотности материи во Вселенной r с ее некоторым критическим значением r_с. Если r>r_с, то Вселенная замкнута, если же r£r_с, то имеет место одна из открытых моделей. К сожалению, мы до сих пор не можем сказать с уверенностью, какая же из моделей соответствует нашей реальной Вселенной. Этому мешают два обстоятельства – наличие «темного вещества», т.е. объектов, которые излучают так мало, что мы не можем их наблюдать, и возможность существования материи в каких-то экзотических формах, например, в виде нейтрино, если их масса покоя все же отлична от нуля.

С утверждением в 30–40 одах основных представлений релятивистской космологии, с одной стороны, и представлений квантовой физики, с другой, астрономическая и физическая картина мира оказалась разделенной на «сферы влияния» между основными физическими теориями. В мегамире (Вселенная в целом и, как выяснилось позже, в компактных и сверхмассивных объектах) господствует ОТО и, соответственно, гравитационное взаимодействие. В микромире нужна квантовая теория, здесь проявляют себя электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. При этом в мире атомов и молекул (при относительно небольших энергиях) действуют законы нерелятивистской квантовой механики. В еще меньших масштабах атомных ядер и элементарных частиц (при энергиях порядка и больше энергий покоя этих частиц) нужна релятивистская квантовая теория поля. В промежуточных масштабах макромира (от пылинок до звездных систем) достаточны законы ньютоновской механики и классической электродинамики. Этот «раздел мира» стал той ценой, которую науке пришлось заплатить за выход из кризиса, связанного с неспособностью классической физики описывать всю Вселенную в ее проявлениях различных масштабов. Создалась ситуация, противоречащая неизменному стремлению научной и философской мысли к выявлению наиболее общих черт и свойств окружающего нас мира. Эта ситуация относилась лишь к физическим формам движения материи и в конце концов не противоречила таким аспектам единства мира, как его материальность и объективное существование, но тем не менее существенно затрудняла понимание этого единства. Наиболее четко выразил неудовлетворенность таким развитием событий А. Эйнштейн, выдвинув программу объединения всех фундаментальных взаимодействий или, иначе говоря, построения единой теории поля.

Горячая Вселенная

Первым шагом со стороны астрономии к восстановлению единой физической картины мира стала принципиально новая идея, выдвинутая в 1946 году Г. А. Гамовым. Он дополнил указанные выше метрические характеристики эволюции Вселенной энергетической. При этом Гамов перешел от плотности энергии к средней энергии одной частицы, т. е. к средней температуре Вселенной, которая в ходе расширения Вселенной уменьшается. Главная физическая суть идеи Гамова состоит в следующем. Некоторый физический процесс (например, ионизация атомов) требует затраты определенной энергии⁸. Однако при температуре, значительно большей, нежели соответствующая этой энергии, этот процесс и процесс, ему обратный, будут протекать в среднем с одинаковыми скоростями и, тем самым, не будут изменять состояние Вселенной. Но, как только температура в ходе расширения Вселенной станет меньше энергии данного процесса, то из двух противоположных процессов будет идти только тот, который ведет к более устойчивому состоянию с меньшей потенциальной энергией. А это изменит физическое состояние Вселенной, придавая ей качественно новые свойства. Таким образом, последовательность значений энергий таких процессов определяет этапы физической эволюции Вселенной. Такие характерные энергии это, прежде всего, энергии покоя нуклонов и электронов, энергия связи частиц в атомных ядрах, энергия ионизации и рекомбинации атомов. Эти соображения означали наполнение фридмановской космологической модели реальным физическим содержанием, означали появление модели «горячей» Вселенной. Ход изменения основных количественных характеристик эволюционирующей Вселенной и основные этапы ее физической эволюции показаны на рис.1. Для понимания приведенной на этом рисунке схемы надо иметь, в частности, в виду, что энергия покоя нуклона (протона или нейтрона) 1.3 ГэВ, энергия покоя электрона 0.5 МэВ, энергия покоя частиц, называемых векторными бозонами и осуществляющих слабое взаимодействие, около 100 ГэВ. Энергия электронов на внешних орбитах в атомах около 10 эВ. Поэтому таковы же энергия ионизации атомов, энергия химических процессов и энергия фотонов оптического диапазона.

Пока средняя температура во Вселенной больше энергии покоя нуклонов, все частицы и античастицы находятся в состоянии термодинамического равновесия (адронная эра⁹). При температуре, равной »1 ГэВ, происходит аннигиляция нуклонов и антинуклонов. Возникает вопрос, почему же в нашем мире осталось некоторое количество нуклонов, образовавших позже все существующее сейчас вещество (так называемая проблема барионной асимметрии Вселенной)? Один из возможных ответов на этот вопрос дал в 1967 году А. Д. Сахаров. Дело в несколько различной скорости процессов аннигиляции и образования нуклонов и антинуклонов. При температурах Вселенной, меньших 1 ГэВ, но больших 0.5 МэВ, в равновесии с излучением находятся электроны и позитроны (лептонная эра). После аннигиляции электронов и позитронов (при энергии 0.5 МэВ) остается равновесная смесь нуклонов, электронов и фотонов (фотонная эра). Но пока энергия частиц больше энергии ионизации атомов, образование нейтральных атомов еще невозможно.

Несколько позже, когда температура стала меньше энергии связи частиц в атомном ядре, произошло еще одно очень важное событие – образование из приблизительно трети протонов и нейтронов соответствующего количества ядер гелия (a-частиц). Вместе с пониманием того, что ядра более тяжелых элементов до урана включительно образуются в ходе термоядерного синтеза в недрах звезд и при взрывах сверхновых звезд, это позволило объяснить наблюдаемый химический состав вещества во Вселенной. Это имело огромное общенаучное значение. Еще под один широкий и важный класс явлений природы был подведен эволюционный фундамент, еще одна область естествознания – химия стала наукой эволюционной в своей основе. Были установлены генетические связи между самой общей формой движения физической и следующей за нею в эволюционной структуре Вселенной химической формой движения материи. А возможность существования молекул только при температуре Вселенной, меньшей, нежели энергия их диссоциации, окончательно закрепляет эволюционный статус не только химии, но и биологии. Об идеях витализма, о вечном существовании независимых от физико-химических процессов «жизненной силы», «биоюлей» и т. п. в границах научного мировоззрения уже не может быть и речи. И только тогда, когда температура Вселенной снизилась до средней энергии одной частицы примерно в 1 эВ, стала возможной рекомбинация протонов и a-частиц с электронами и образование атомов водорода и гелия, произошел отрыв нейтрального вещества от излучения. Только после этого появилась возможность роста флуктуаций плотности вещества – возможность образования протогалактик и протоскоплений галактик, возможность формирования нынешней крупномасштабной структуры нашей Вселенной.

Развитие и детализация модели «горячей» Вселенной продолжается и сейчас. Важнейшим доказательством ее справедливости стало открытие в 1965 году А. Пензиасом и Р. Уилсоном реликтового радиоизлучения – первичных фотонов, которые сохранились от предшествующих этапов эволюции Вселенной. Их энергия определяется средней температурой Вселенной, сейчас это примерно 2.7 К. Но обнаружились и некоторые противоречия (парадоксы) релятивистской космологии в рамках ее фридмановских моделей. Это прежде всего парадокс горизонта. Он состоит в том, что между событиями в двух точках может существовать причинно-следственная связь только в том случае, если расстояние между этими точками меньше, чем то расстояние, которое может пройти свет за время расширения Вселенной (последнее определяет расстояние до горизонта событий или космологического горизонта). Очевидно, что в открытых моделях есть области, точки которых не удовлетворяют этому условию. Можно доказать, что так же обстоит дело и в замкнутой модели. Больше того, расстояние до космологического горизонта возрастает быстрее, чем происходит расширение Вселенной. А раз наш мир состоит из отдельных причинно несвязанных областей, то становится непонятным, почему он является однородным и изотропным. Были попытки отказаться от предположений об однородности и изотропности нашей Вселенной (от так называемого совершенного космологического принципа), но они утратили свой смысл после того, как в 70-80 годах внегалактическая астрономия выяснила упомянутую выше крупномасштабную структуру Вселенной. Эта структура состоит в том, что галактики и их скопления образуют трехмерную сетку с размерами в несколько сотен мегапарсек. А в больших масштабах наш мир является однородным и, соответственно, изотропным.

(Продолжение следует)


Литература

1. Александров Ю. В. Астрономія. Історико-методологічний нарис. – К.: Сфера, 1999.

2. Вайнберг С. Первые три минуты. – М.: Энергоиздат, 1981.

3. Вайнберг С. Гравитация и космология. – М.: Наука, 1975.*


Знаком * отмечена литература для более подготовленного читателя.


4. Долгов А. Д., Зельдович Я. Б., Сажин М. В. Космология ранней Вселенной. – М.: Изд-во МГУ, 1988.*

5. Зельдович Я. Б., Хлопов М. Ю. Драма идей в познании природы. – М.: Наука, 1988.

6. Зельдович Я. Б., Новиков И. Д. Строение и эволюция Вселенной. – М.: Наука, 1979.*

7. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория поля. – М.: Наука, 1985*.

8. Линде А. Д. Физика элементарных частиц и инфляционная космология. – М.: Наука, 1990.*

9. Окунь Л. Б. Физика элементарных частиц. – М.: Наука, 1988.

10. Новиков И. Д. Эволюция Вселенной. – М.: Наука, 1990.


¹⁾ В связи с этим напомним анекдотический случай, имевший место в 1912 году Известный австрийский физик Лизе Мейтнер защитила в Венском университете диссертацию на тему «Проблемы космической физики». В некоторых газетах было напечатано, что тема ее диссертации «Проблемы косметической физики». Такая тема, по мысли репортеров, была более близка женщине. Однако с этимологической точки зрения они не так уж и ошибались.

²⁾ К XIII веку общее число вспомогательных кругов в системе Птолемея достигло более 350. В связи с этим король Арагона и Кастилии Альфонс Х как-то заметил: «Если бы Господь Бог спросил моего совета, когда создавал мир, то он был бы устроен гораздо проще». Эти не очень почтительные по отношению к «мудрости Божьей» высказывания едва не стоили ему короны.

³⁾ Понимая необходимость разумных компромиссов, нельзя вместе с тем не склонить головы перед мужеством Дж. Бруно, который и жизнью и смертью своей оправдал свой девиз: «Стою на том и не могу иначе». Вот уже четыреста лет его имя является символом борьбы против религиозного фанатизма и невежества.

⁴⁾ Задача двух тел – это задача о движении одной материальной точки в поле тяготения другой материальной точки или сферически симметричного тела.

⁵⁾ Точнее говоря, появляется неопределенность вида ¥ – ¥, для раскрытия которой нужны дополнительные предположения о структуре Вселенной.

⁶⁾ Достаточно вспомнить, что сам создатель теории относительности не смог сразу воспринять эту идею, и для сохранения стационарности Вселенной «выпустил джина из бутылки» – ввел в уравнения ОТО так называемый L-член, описывающий некую силу отталкивания, которая должна была компенсировать силу притяжения.

⁷⁾ Мы не можем наглядно представить себе неплоское, а тем более нестационарное трехмерное пространство, ибо все наши представления сформировались в результате восприятия плоского эвклидова пространства, которое нас непосредственно окружает. НПо есть простая наглядная модель двумерного пространства. Представим себе воздушный шарик сферической формы. Если радиус его фиксирован, то для того чтобы имел место закон Хаббла, нужно, чтобы двигающиеся по его поверхности точки (например, мухи) расползались во все стороны от одной из точек, которая тем самым является выделенной. Это ситуация, аналогичная стационарному (хотя и не плоскому) миру. Если же наш шарик продолжает раздуваться, то расстояние между любыми двумя точками, неподвижными относительно его поверхности, будут увеличиваться, причем пропорционально самому этому расстоянию. Это аналог релятивистского нестационарного мира с постоянной положительной кривизной. Обратите внимание также на то, что площадь (аналог объема) этого мира конечна, но границы у него нет.

⁸⁾ Поскольку важное значение имеет сравнение температуры (средней энергии) частиц с той или иной характерной энергией, то целесообразно выражать температуру в энергетических единицах электрон-вольтах. Напомним, что электрон-вольт это энергия, которую приобретает электрон в электрическом поле с разностью потенциалов в один вольт (1 эВ=1,6•10^-19Дж).

⁹⁾ Адроны (мезоны и нуклоны) – частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Лептоны (электроны, мюоны t-лептоны и соответствующие им нейтрино) – частицы, участвующие только в электромагнитном (если они имеют электрический заряд) и слабом взаимодействиях.


Ю.В. Александров

(Окончание. Начало в № 2’2000)