Вселенная - это всё существующее. От мельчайших пылинок и атомов до огромных скоплений вещества звездных миров и звездных систем. Поэтому не будет ошибкой сказать, что любая наука, так или иначе, изучает Вселенную, точнее, тем или иные её стороны. Существует научная дисциплина, объектом исследования которой служит сама Вселенная. Это особая отрасль астрономии, так называемая космология.

Космология - учение о Вселенной в целом, включающее в себя теорию всей охваченной астрономическими наблюдениями области как части Вселенной.

С развитием науки, все полнее раскрывающей физические процессы, происходящие в окружающем нас мире, большинство ученых постепенно перешло к материалистическим представлениям о бесконечности Вселенной. Здесь огромное значение имело открытие И. Ньютоном (1643 - 1727) закона всемирного тяготения, опубликованного в 1687 г. Одним из важных следствий этого закона явилось утверждение, что в конечной Вселенной все ее вещество за ограниченный промежуток времени должно стянуться в единую тесную систему, тогда как в бесконечной Вселенной вещество под действием тяготения собирается в некоторых ограниченных объемах (по тогдашним представлениям - в звездах), равномерно заполняющих Вселенную.

Большое значение для развития современных представлений о строении и развитии Вселенной имеет общая теория относительности, созданная А.Эйнштейном (1879 - 1955). Она обобщает теорию тяготения Ньютона на большие массы и скорости движения, сравнимые со скоростью света. Действительно, в галактиках сосредоточена колоссальная масса вещества, а скорости далеких галактик и квазаров сравнимы со скоростью света.

Одним из значительных следствий общей теории относительности является вывод о непрерывном движении вещества во Вселенной - нестационарности Вселенной. Этот вывод был получен в 20-х годах нашего столетия советским математиком А.А.Фридманом (1888 - 1925). Он показал, что в зависимости от средней плотности вещество Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. При расширении Вселенной скорость разбегания галактик должна быть пропорциональна расстоянию до них - вывод, подтвержденный Хабблом открытием красного смещения в спектрах галактик.

Критическое значение средней плотности вещества, от которой зависит характер его движения,

где G - гравитационная постоянная, а Н=75 км/с*Мпк - постоянная Хаббла. Подставляя нужные значения, получаем, что критическое значение средней плотности вещества P k = 10 -29 г/см 3 .

Если средняя плотность вещества во Вселенной больше критической, то в будущем расширение Вселенной сменится сжатием, а при средней плотности равной или меньшей критической расширение не прекратится. Ясно одно, что со временем расширение привело к значительному уменьшению плотности вещества, и на определенном этапе расширения стали формироваться галактики и звезды.

В 20-х гг. XX столетия выдаю-щийся советский физик А. А. Фридман установил, что из урав-нений общей теории относительности следует, что Вселенная не может быть неизмен-ной, она должна эволюционировать. Наш мир должен сжи-маться или расширяться. С точки зрения наблюдателя (неза-висимо от того, в какой точке он находится: ведь мир одно-роден и в каждой точке все происходит так же, как и во всех остальных), все далёкие объекты удаляются от него (или при-ближаются к нему) с тем большей скоростью, чем дальше они расположены. При этом изменяется средняя плотность ве-щества во Вселенной. В наблюдениях расширение Вселенной проявляется в том, что в спектрах далёких галактик ли-нии поглощения смещаются в красную сторону спектра. Это называется красным смещением.

Красное смещение легко снимает фотометрический пара-докс. Ведь при переходе ко все более и более удалённым объ-ектам яркость звезды уменьшается ещё и потому, что из-за красного смещения уменьшается энергия кванта. Когда ско-рость удаления приближается к скорости света, звезда стано-вится невидимой.

В теории Фридмана появляется величина, называемая кри-тической плотностью; она может быть выражена через посто-янную Хаббла:

ρ к = 3H 2 / 8πG ,

где H — постоянная Хаббла; G — гравитационная постоян-ная.

Пространство-время

Общая теория относительности позволяет интерпретировать постоянную Хаббла как величину, обратную промежутку времени, прошедшего с мо-мента возникновения Вселенной :

H = 1 / T .

Действительно, если идти по шкале времени назад, то по-лучается, что примерно 15—20 млрд лет Вселенная имела ну-левые размеры и бесконечную плотность. Такое состояние при-нято называть сингулярностью. Она появляется во всех вари-антах фридмановской модели. Ясно, что здесь лежит предел применимости теории и нужно выходить за рамки этой моде-ли. При достаточно малых временах квантовые эффекты (ОТО чисто классическая теория) становятся определяющими.

Из теории Фридмана следует, что возможны различные сценарии эволюции Вселенной: неограниченное расширение, чередование сжатий и расширений и даже тривиальное стационарное состояние. Какой из этих сценариев реализуется - зависит от соотношения между критической и фактической плотностью вещества во Вселенной на каждом этапе эволюции. Для того, чтобы оценить значения этих плотностей, рассмотрим сначала, как астрофизики представляют себе структуру Вселенной.

В настоящее время считается, что материя во Вселенной существует в трех формах: обычное вещество, реликтовое излучение и так называемая "темная" материя. Обычное вещество сосредоточено в основном в звездах, которых только в нашей Галактике насчитывается около ста миллиардов. Размер нашей Галактики составляет 15 килопарсек (1 парсек = 30,8 Ч 1012 км). Предполагается, что во Вселенной существует до миллиарда различных галактик, среднее расстояние между которыми имеет порядок одного мегапарсека. Эти галактики распределены крайне неравномерно, образуя скопления (кластеры). Однако если рассматривать Вселенную в очень большом масштабе, например, "разбивая" ее на "ячейки" с линейным размером, превышающим 300 мегапарсек, то неравномерность структуры Вселенной уже не будет наблюдаться. Таким образом, в очень больших масштабах Вселенная является однородной и изотропной. Вот для такого равномерного распределения вещества можно рассчитать плотность rв, которая составляет величину ~ 3Ч10-31 г / см3.

Эквивалентная реликтовому излучению плотность rр ~ 5Ч10-34 г/см3, что много меньше rв и, следовательно, может не приниматься в расчет при подсчете общей плотности материи во Вселенной.

Наблюдая за поведением галактик, ученые предположили, что помимо светящегося, "видимого" вещества самих галактик в пространстве вокруг них существуют, по-видимому, значительные массы вещества, наблюдать которые непосредственно не удается. Эти "скрытые" массы проявляют себя только тяготением, которое сказывается на движении галактик в группах и скоплениях. По этим признакам оценивают и связанную с этой "темной" материей плотность rт, которая, по расчетам, должна быть примерно в ~ 30 раз больше, чем rв. Как будет видно из дальнейшего, именно "темная" материя является, в конечном счете, "ответственной" за тот или иной "сценарий" эволюции Вселенной 1.

Чтобы убедиться в этом, оценим критическую плотность вещества, начиная с которой "пульсирующий" сценарий эволюции сменяется "монотонным". Такую оценку, хотя и достаточно грубую, можно произвести на основании классической механики, без привлечения общей теории относительности. Из современной астрофизики нам потребуется только закон Хаббла.

Вычислим энергию некоторой галактики, имеющей массу m, которая находится на расстоянии L от "наблюдателя" (рис.1.1). Энергия Е этой галактики складывается из кинетической энергии Т = mv2/2 = mH2L2/2 и потенциальной энергии U = - GMm / L, которая связана с гравитационным взаимодействием галактики m с веществом массы M, находящимся внутри шара радиуса L (можно показать, что вещество, находящееся вне шара, не вносит вклада в потенциальную энергию). Выразив массу M через плотность r, М = 4pL3r/3, и учитывая закон Хаббла, запишем выражение для энергии галактики:

Е = Т - G 4/3 pmr v2/H2 = T (1-G 8pr/3H2) (1.1).

Рис.1.1.

Из этого выражения видно, что в зависимости от значения плотности r энергия Е может быть либо положительной (Е > 0), либо отрицательной (Е < 0). В первом случае рассматриваемая галактика обладает достаточной кинетической энергией, чтобы преодолеть гравитационное притяжение массы М и удалиться на бесконечность. Это соответствует неограниченному монотонному расширению Вселенной (модель "открытой" Вселенной).

Во втором случае (Е < 0) расширение Вселенной в какой-то момент прекратится и сменится сжатием (модель "замкнутой" Вселенной). Критическое значение плотности соответствует условию Е = 0, так что из (1.1) получаем:

rк = 3Н2 / 8pG (1.2).

Подставив в это выражение известные значения Н = 15 ((км/с)/106 световых лет) и G = 6,67Ч10-11 м3/кг с2 , получаем значение критической плотности rк ~ 10-29 г / см3. Таким образом, если бы Вселенная состояла только из обычного "видимого" вещества с плотностью rв ~ 3 Ч 10-31 г / см3, то ее будущее было бы связано с неограниченным расширением. Однако, как было сказано выше, наличие "темной" материи с плотностью rт > rв может привести к пульсирующей эволюции Вселенной, когда период расширения сменяется периодом сжатия (коллапсом) (рис.1.2). Правда, в последнее время ученые все больше приходят к мысли, что плотность всей материи во Вселенной, включая и "темную" энергию, в точности равна критической. Почему это так? На этот вопрос ответа пока нет.

Рис.1.2.

В основе концепции Большого Взрыва лежит предположение о том, что началу эволюции Вселенной (t = 0) соответствовало состояние с бесконечной плотностью r = Ґ (сингулярное состояние Вселенной)1 . С этого момента Вселенная расширяется2 , а ее средняя плотность r уменьшается со временем по закону:

r ~ 1 / G t2 (1.3)

где G - гравитационная постоянная 3 .

Вторым постулатом теории Большого Взрыва является признание решающей роли светового излучения на процессы, происходившие в начале расширения4. Плотность энергии e такого излучения, с одной стороны, связана с температурой Т известной формулой Стефана-Больцмана:

где s = 7,6 10-16 Дж/м3град4 -постоянная Стефана-Больцмана, а с другой стороны, с плотностью массы r:

r = e / с2 = sТ4/с2 (1.5)

где с - скорость света.

Подставив (1.6) в (1.4), с учетом численных значений G и s получаем:

Т ~ 1010 t-1/2 (1.6)

где время выражается в секундах, а температура - в кельвинах.

При очень высоких температурах (Т > 1013 К, t < 10-6 с) Вселенная была абсолютно непохожа на то, что мы видим сегодня. В той Вселенной не было ни галактик, ни звезд, ни атомов... Как в "кипящем котле" в ней непрерывно рождались и исчезали кварки, лептоны и кванты фундаментальных взаимодействий, в первую очередь, фотоны (g). При столкновении двух фотонов могла, например, родиться пара электрон (е-) - позитрон (е+), которая практически сразу аннигилировала (самоуничтожалась), вновь рождая кванты света:

g + g " е- + е+ (1.7)

Аннигиляция электрон-позитронной пары могла привести к рождению и других пар частица-античастица, например, нейтрино (n) и антинейтрино (n)

е- + е+ " n + `n (1.8)

Аналогичные обратимые реакции шли и с участием адронов, в частности, нуклонов (протонов, нейтронов и их античастиц).

Следует, однако, иметь в виду, что рождение пары частица-античастица при столкновении фотонов возможно только при условии, что энергия фотонов Wg превышает энергию покоя W0 = m0c2 рождающихся частиц. Средняя энергия фотонов в состоянии термодинамического равновесия определяется температурой:

где k - постоянная Больцмана.

Поэтому обратимый характер процессов с участием фотонов имел место только при температурах, превышавших вполне определенное значение для каждого типа элементарных частиц T ~ m0c2 / k.

Например, для нуклонов m0c2 ~ 1010 эВ, значит Тнукл ~ 1013 К. Так что при Т > Тнукл могло происходить и происходило непрерывное возникновение пар нуклон-антинуклон и их почти мгновенная аннигиляция с рождением фотонов. Но как только температура Т стала меньше, чем Т нукл, нуклоны и антинуклоны за весьма короткое время исчезли, превратившись в свет. И если бы это имело место для всех нуклонов и антинуклонов, то Вселенная осталась бы без стабильных адронов, а значит не было бы и того вещества, из которого впоследствии образовались галактики, звезды и другие космические объекты. Но оказывается, что в среднем на каждый миллиард пар нуклон-антинуклон приходилась одна (!) "лишняя" частица. Именно из этих "лишних" нуклонов и построено вещество нашей Вселенной.

Аналогичный процесс аннигиляции электронов и позитронов произошел позже, при t ~ 1 с, когда температура Вселенной упала до ~ 1010 К и энергии фотонов стало не хватать для рождения электрон-позитронных пар. В результате во Вселенной осталось относительно небольшое число электронов - ровно столько, чтобы скомпенсировать положительный электрический заряд "лишних" протонов.

Оставшиеся после глобального самоуничтожения протоны и нейтроны некоторое время обратимо переходили друг в друга в соответствии с реакционными формулами:

p + e- " n + `n;

p + n " n + e+ .

И здесь решающую роль сыграло небольшое отличие масс покоя протонов и нейтронов, которое, в конце концов, привело к тому, что концентрации нейтронов и протонов оказались различными. Теория утверждает, что к исходу пятой минуты на каждые сто протонов приходилось примерно 15 нейтронов. Именно в это время температура Вселенной упала до ~ 1010 К, и создались условия для образования стабильных ядер, прежде всего ядер водорода (Н) и гелия (Не). Если пренебречь ядрами других элементов (а они тогда действительно почти не возникали), то с учетом приведенного выше соотношения протонов и нейтронов, во Вселенной должно было образоваться ~ 70% ядер водорода и ~ 30% ядер гелия. Именно такое соотношение этих элементов и наблюдается в межгалактической среде и в звездах первого поколения, подтверждая тем самым концепцию Большого Взрыва.

После образования ядер Н и Не в течение длительного времени (порядка миллиона лет) во Вселенной почти ничего заслуживающего внимания не происходило. Было еще достаточно горячо, чтобы ядра могли удерживать электроны, так как фотоны тут же их отрывали. Поэтому состояние Вселенной в этот период называют фотонной плазмой.

Так продолжалось до тех пор, пока температура не упала до ~ 4000 К, а это случилось через ~ 1013 с или почти через миллион лет после Большого Взрыва. При такой температуре ядра водорода и гелия начинают интенсивно захватывать электроны и превращаться в стабильные нейтральные атомы (энергии фотонов уже недостаточно, чтобы эти атомы разбивать). Астрофизики называют этот процесс рекомбинацией.

Только с этого момента вещество Вселенной становится прозрачным для излучения и пригодным для образования сгустков, из которых потом получились галактики. Излучение же, называемое реликтовым, с тех пор ведет независимое существование, путешествуя по Вселенной по всем направлениям. Сейчас к нам на Землю приходят кванты этого излучения, которые пролетели практически прямолинейно огромное расстояние, равное произведению скорости света с на время tр, которое прошло с момента рекомбинации: L = сtр. Но ведь в результате расширения Вселенной мы фактически "убегаем" от этих квантов реликтового излучения со скоростью v = НL ~ сtр/t0, где t0 = 1/Н - время, которое прошло с момента Большого Взрыва. А это значит, что длины волн у принимаемого нами реликтового излучения из-за эффекта Доплера должны быть во много (~ t0/tр) раз больше, чем у того, которое было в момент рекомбинации при Т ~ 4000 К. Расчеты показывают, что реликтовое излучение, регистрируемое на Земле, должно быть таким, как если бы оно было испущено телом, нагретым до температуры Т ~ 3 К1 . Именно такими свойствами и обладало излучение, которое зафиксировали в 1965 году А. Пензиас и Р. Вильсон.

Смирнов О.Г., кандидат технических наук

О КРИТИЧЕСКОЙ ПЛОТНОСТИ ВЕЩЕСТВА ВО ВСЕЛЕННОЙ

Рассматриваются проблемы определения средней плотности вещества во Вселенной.

1. Критическая плотность вещества во Вселенной оценивается формулой

где - Н - постоянная Хаббла, О - гравитационная постоянная.

Оценка масс вещества галактик и скоплений галактик дает среднюю плотность ~10-27кг/м3. Из этого следует, что мы имеем дело с неограниченно расширяющейся Вселенной (!). Так ли это?

2. Первая ошибка заключается в том, что в наблюдаемой Вселенной все космические объекты (звезды, галактики, скопления галактик...) имеют плотность вещества в центре большую, чем на окраинах. Этого следует ожидать и от распределения вещества во Вселенной. Мы же наблюдаем только малую часть Вселенной и говорить о равномерном распределении вещества во Вселенной явно некорректно.

В , выполнены расчеты, согласно которым наша Галактика находится на окраинах Вселенной и движется, по последним наблюдениям, к единому центру вместе с большими группами других галактик. Движение происходит с ускорением в направлении массивного объекта, находящегося за пределами наблюдаемой Вселенной между созвездиями Центавра и Паруса (по данным астрофизиков США). По нашей версии это ядро Вселенной. Изложенное говорит о том, что нет необходимости вводить понятие «темной энергии».

В также предполагается, что внутри Вселенной происходят процессы, заставляющие вещество непрерывно двигаться из глубин к границам (взрывные процессы) и обратно (движение галактик).

где тв, Яв, г - масса, радиус и расстояние от центра Вселенной.

На окраинах Вселенной (г=Яв)

Р(*в) = -тЬ (3)

Но нас интересует средняя плотность, входящая в формулу (1).

Она же равна

Таким образом, средняя плотность Вселенной в три раза больше, чем на ее окраинах. Находясь на окраинах Вселенной, мы наблюдаем малую часть вещества из половины, которая движется в направлении к центру Вселенной. Поэтому средняя плотность вещества Вселенной окажется не менее, чем 6 . 10-27 кг/м3.

3. Скорости движения удаленных космических объектов (звезды, галактики...) определяют по «красному смещению». В , нелинейная квантовая физика дает формулы по которым скорости оказываются больше примерно в два раза, а значит масса больше в четыре раза (масса пропорциональна квадрату скорости). Попутно снимается необходимость введения понятия «темной материи».

Теперь среднюю плотность вещества Вселенной следует принять равной ~ 6 4 "10" =2,4 10-26 кг/м3, что больше критической в 2,4 раза.

Мы приходим к важному выводу, что неограниченно расширяющуюся Вселенную следует исключить из рассмотрения.

Вещество, двигаясь к окраинам Вселенной, уменьшает свою температуру до абсолютного нуля, укрупняется в галактики и начинается движение обратно к центру Вселенной.

«Разбегание» галактик как раз говорит о движении их к единому центру с ускорением, а постоянная Хаббла фактически является переменной , колеблющейся от 100 км/(с-Мпк), до 50 км/(с-Мпк). Уменьшение - в сторону центра Вселенной. Обратное значение дает время начала движения нашей Галактики к центру Вселенной. Оно составляет минимум 9,75 миллиарда лет (Н=100 км/(с-Мпк)), или максимум 13,9 миллиардов лет (Н=70 км/(с-Мпк))

Изложенное позволяет выйти из тупика, в который зашла современная космология.

Литература

1. Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии. Изд. 2-е. УРСС.2004-544с.

2. Смирнов О.Г. Познание Вселенной и открытия третьего тысячелетия. «АПСН»,№5, 2010.-с.с.73-84.

3. Смирнов О.Г. Вселенная физика и «глобальная энергия». 6-е изд., доп.-М.:Издательство «Спутник+», 2010. - 611с.

4. Смирнов О.Г. Нелинейная физика. - М.:Издательство «Спутник+», 2010. - 289с.

КРИТИЧЕСКАЯ ПЛОТНОСТЬ ВСЕЛЕННОЙ - значение плотности вещества во Вселенной ,определяемое выражением где Н - постоянная Хаббла (см. Хаббла закон), G - постоянная тяготения Ньютона. В однородных изотропных моделях Вселенной (см. Космологические модели )с равной нулю космологической постоянной величина r с является критич. значением , отделяющим модель замкнутой Вселенной где r - реальная ср. плотность всех видов материи) от модели открытой Вселенной

В случае тяготение материи достаточно велико, оно сильно замедляет расширение Вселенной, и в будущем её расширение должно смениться сжатием. Трёхмерное пространство в рассматриваемых моделях при имеет положит. кривизну, замкнуто, объём его конечен.

При тяготение недостаточно для того, чтобы остановить расширение, и Вселенная в этих условиях неограниченно расширяется в будущем. Трёхмерное пространство в рассматриваемых моделях имеет отрицат. кривизну, объём его бесконечен (в простейшей топологии).

Постоянная Хаббла H известна из астрономич. наблюдений со значит. неопределённостью: Н - (50-100) км/(с*Мпк). Отсюда возникает неопределённость в значении К. п. В. r c = (5*10 -30 -2*10 -29) г/см 3 . С др. стороны, наблюдения показывают, что усреднённая плотность вещества входящего в состав галактик, по-видимому, существенно меньше К. п. В. Однако, возможно, во Вселенной имеются труднонаблюдаемые формы материи, т. н. скрытые массы. Кол-во