Бесплатный фрагмент - Происхождение Вселенной, Солнечной системы и Земли

АННОТАЦИЯ

Сегодня, наверное, вы не встретите человека, который бы не слышал о теории Большого взрыва. Именно с него, как утверждают учёные, берёт начало наша Вселенная. Однако мало кто знает, что современная наука накопила достаточно много фактов, заставляющих в корне изменить первоначальную интерпретацию этой теории. А некоторые учёные вообще стали относиться к ней как к научному мифу. Что же случилось? Что заставляло учёных пересмотреть как саму теорию Большого взрыва, так и своё отношение к ней? Как она выглядит в настоящее время? С какими проблемами сталкиваются физики и космологи при её разработке и проверке? И, наконец, способна ли наука дать окончательный ответ на вопрос возникновения Вселенной?

Именно этому и посвящена данная книга. В ней мы постарались простым и доступным языком рассказать о положении дел в области космогонии, о некогда популярных и современных теориях происхождения Вселенной, Солнечной системы и Земли. Попытались дать им объективную оценку исходя из самых последних научных открытий.

Книга содержит большое количество цитат известных и авторитетных учёных в области астрофизики и космологии, их комментарии и суждения по тем или иным вопросам мироустройства, а также множество справочной информации, разъясняет сложные определения и понятия.

Издание будет полезно преподавателям и учащимся средних и высших учебных заведений, а также всем тем, кто интересуется вопросами мироздания.

Издание 2-е, переработанное и дополненное (сентябрь 2018 г.)

ВНИМАНИЕ!

Данная книга представляет собой сокращённый вариант иллюстрированного издания, размещённого на научно-образовательном портале «С точки зрения науки» santorum.ru

СОДЕРЖАНИЕ:

ВВЕДЕНИЕ

1. ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ТЕОРИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ И ЗЕМЛИ

1.1 Первая эволюционная модель происхождения Солнечной системы — модель Ж. Бюффона

1.2 Модель И. Канта

1.3 Модель П. Лапласа

1.4 Современные небулярные гипотезы

КАНТ И ЛАПЛАС: ДВА ВЗГЛЯДА НА МИРОЗДАНИЕ

2. ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ТЕОРИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

ИСААК НЬЮТОН: ЧТО УПРАВЛЯЕТ МИРОЗДАНИЕМ

2.1 Астрономические свидетельства расширения Вселенной

2.2 Стандартная модель происхождения Вселенной (теория Большого взрыва)

2.2.1 Модель «горячего» начала Вселенной

2.2.2 Модель «холодного» начала Вселенной

ЧТО ЯВЛЯЕТСЯ ИСТОЧНИКОМ ФОНОВОГО КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ?

3. АНАЛИЗ ЭВОЛЮЦИОННЫХ ТЕОРИЙ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

3.1 Вселенная из «ничего». Инфляционная модель Большого взрыва

3.2 Парадоксы инфляционной модели Большого взрыва

3.2.1 Сколько энергии в вакууме?

3.2.2 Из чего состоит «ничего»?

3.2.3 Идеальная скорость расширения

3.2.4 Идеальная картина расширения

СТИВЕН ХОКИНГ: НА КАКОЙ ВОПРОС НЕ сможет ответить НАУКА

3.2.5 Неоднородности в однородном расширении

3.2.6 Второй закон термодинамики

3.2.7 Загадочная асимметрия

3.3 Сколько Вселенных во Вселенной?

3.3.1 Хаотическая инфляция

3.4 Уйти от сингулярности

3.5 Назад к стационарной Вселенной

3.6 Пульсирующая Вселенная

3.7 Появление «тёмных персонажей»

3.7.1 Тёмная энергия

3.7.2 Тёмная материя

ЧТО СВИДЕТЕЛЬСТВУЕТ О СУЩЕСТВОВАНИИ ТЁМНОЙ МАТЕРИИ

3.8 Можно ли обогнать свет?

КАК УЧЁНЫЕ ОПРЕДЕЛЯЮТ РАССТОЯНИЕ ДО ГАЛАКТИК И СКОРОСТИ ИХ УДАЛЕНИЯ

3.9 Новая теория Большого взрыва

3.9.1 Парадокс новой теории Большого взрыва

ЧЕТЫРЕ ПРИЧИНЫ КРАСНОГО СМЕЩЕНИЯ

4. АНАЛИЗ ЭВОЛЮЦИОННЫХ ТЕОРИЙ ПРОИСХОЖДЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ И ЗЕМЛИ

4.1 Небулярные гипотезы

4.1.1 Разность состава планет и их спутников

4.1.2 Разнонаправленный характер вращения

4.1.3 Момент количества движения

4.1.4 Закономерности планетных расстояний

4.1.5 Распределение массы вещества планетных систем

4.1.6 Орбитальный наклон планет

4.1.7 Исключительный состав Земли

4.2 Катастрофические гипотезы

4.3 Гипотезы захвата

5. ПРОИСХОЖДЕНИЕ МИРА: КАКОЙ ОТВЕТ ДАСТ НАУКА? (ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ)

5.1 Теория Большого взрыва в центре научных баталий

5.1.1 Открытое письмо научному сообществу.

  «AN OPEN LETTER TO THE SCIENTIFIC COMMUNITY»

5.1.2 «А был ли Большой взрыв?»

5.1.3 «Идея сингулярности безнадёжно устарела».

5.1.4 Существует ли тёмная материя?

5.2 Антропный космологический принцип и разумный замысел

ПОСЛЕСЛОВИЕ

Список использованных источников

ВНИМАНИЕ!

Данная книга представляет собой сокращённый вариант иллюстрированного издания, размещённого на научно-образовательном портале «С точки зрения науки» santorum.ru

ВВЕДЕНИЕ

Наш мир велик и многообразен. Всё, что нас окружает, будь то микроскопические атомы и мельчайшие пылинки, отдельные звёзды и огромные туманности, животные, растения, микроорганизмы составляют то, что принято называть Вселенной. Вселенная — это наш дом, в котором всё обустроено так, чтобы на протяжении долгих веков обеспечивать и поддерживать необходимые для жизни условия.

Вопрос происхождения Вселенной интересовал человека с незапамятных времён. Ответить на него пытались жрецы Древнего Египта, философы Древней Греции и Рима… и сегодня мы тратим огромные средства на постижение загадок мироздания.

Для большинства людей Средних веков, эпохи Возрождения и даже Нового времени ответом на вопрос происхождения мира служили слова, записанные евангелистом Иоанном: «В начале было Слово, и Слово было у Бога, и Слово было Бог. Оно было в начале у Бога. Всё чрез Него начало быть, и без Него ничто не начало быть, что начало быть».

Однако сегодня мы с вами живём в век прогресса науки. Современная наука, подобно религии, полна решимости пролить свет на тайну мироздания. Но ответ у неё совсем другой. Если выразить его в форме библейских стихов, то он будет звучать примерно так: «В начале было ничего, и ничего было у ничего… Всё чрез ничего начало быть, и без ничего ничего не начало быть, что начало быть».

Наверное, каждый из нас слышал о космологической теории рождения Вселенной в результате Большого взрыва. Научная и научно-популярная литература, посвящённая этой теории, буквально наводнила книжные полки и интернет-ресурсы. Учёные говорят, что «взрыв» (в прямом смысле — стремительное расширение) явился толчком к появлению всего сущего в мире. Причём интерпретация этой космогонической модели постоянно меняется, корректируется и дополняется исходя из новых научных открытий. Ещё не так давно нам рассказывали, что Вселенная родилась из «первобытного атома» в котором сосредотачивалось всё её вещество. Этот атом состоял из элементарных частиц невероятной плотности, и был величиной примерно с теннисный мяч. После его «взрыва» началась стремительная эволюция, приведшая к образованию звёзд, планет и, в конце концов, нас с вами. Но сегодня о Большом взрыве учёные говорят немного иначе: в начале не было никакого сверхплотного атома элементарных частиц. Все физические частицы возникли в результате взрыва пустого пространства, в буквальном смысле «ничего». И из этого «ничего» возникло всё, что нас окружает.

Хотя, как признаются сами учёные, любая научная теория происхождения Вселенной, по большому счёту, является плодом воображения её автора, но она не противоречит законам физического мира и выводится из формул, подтверждается некоторыми наблюдениями, а потому имеет право на существование. Так что всё соответствует критериям научного знания.

Но не следует думать, что все учёные безоговорочно принимают теории, выведенные из формул, в том числе и Большой взрыв. Кто-то его нещадно критикует, кто-то просто отмечает слабые стороны, а кто-то предпочитает воздерживаться от каких-либо суждений, просто считая вопрос происхождения Вселенной вопросом философским. Ведь формулы есть формулы, и как бы хорошо теория не выглядела на бумаге, никто не сможет знать, что происходило в реальности. Выходит, что мы так никогда и не сможем получить достоверные ответы на главные вопросы мироздания.

Но не торопитесь с этим соглашаться. На самом деле последние научные открытия в области космологии раскрывают перед нами поистине удивительные вещи об устройстве нашей Вселенной, что позволило подойти к проблеме происхождения мира с другой стороны. Хотя в науке она по-прежнему остаётся нерешённой, тем не менее уже сегодня мы можем выбрать направление, по которому нужно двигаться, чтобы найти истину.

Именно этому и посвящена данная книга. В ней мы постарались простым и доступным языком рассказать о положении дел в области космогонии, о некогда популярных и современных теориях происхождения Вселенной, Солнечной системы и Земли. Попытались дать им объективную оценку исходя из самых последних научных открытий. Книга содержит большое количество цитат известных и авторитетных учёных в области астрофизики и космологии, их комментарии и суждения по тем или иным вопросам мироустройства, а также множество справочной информации.

1. ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ТЕОРИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ И ЗЕМЛИ

Рассматривая и изучая видимые объекты космоса — Солнце, звёзды, другие планеты и небесные тела, постигая законы, которым они подчиняются, люди как правило приходили к осознанию необходимости творческого начала в их происхождении и становлении. Безмерность космического пространства, строгие закономерности движения планет, гармония и порядок во Вселенной создавали впечатление произведения некоего Разума. Поэтому практически во всех космогонических мифах древних народов непременно присутствовал Демиург, или Творец, действия и воля которого являются причиной и движущей силой всего мироздания.

1.1 Первая эволюционная модель происхождения Солнечной системы — модель Ж. Бюффона (1749 г.)

Первая научная гипотеза, пытающаяся представить происхождение объектов космоса без участия творческого начала, появилась в XVIII в. Принадлежала она французскому учёному Жоржу Бюффону (1707–1788). В 1749 г. Бюффон издал книгу «Теория Земли», в которой описал процесс происхождения планет Солнечной системы. Согласно Бюффону, наша Земля и другие планеты обязаны своим происхождением комете, которая, столкнувшись с Солнцем, выбросила из него часть вещества в виде гигантских капель. Капли начали вращаться на разных расстояниях от светила и после остывания превратились в планеты. В процессе вращения будущих планет от них отрывались небольшие жидкие массы, из которых впоследствии сформировались спутники. Таким образом, по Бюффону, планетная система нашего Солнца возникла в результате случайной катастрофы гигантского масштаба, а материалом для её построения было солнечное вещество. Такая модель получила название катастрофической.

1.2 Модель И. Канта (1755 г.)

Следующая попытка разгадать тайну происхождения космических тел была предпринята немецким философом, профессором Иммануилом Кантом (1724–1804). Кант считал, что Солнечная система возникла из некой первичной разреженной холодной материи, свободно рассеянной во Вселенной. Частицы этой материи перемещались в различных направлениях и, сталкиваясь друг с другом, теряли скорость. Наиболее тяжёлые и плотные из них под действием силы притяжения соединялись друг с другом, образуя шаровидные сгустки, из которых формировались будущие звёзды. Одной из них является наше Солнце. Шаровидные сгустки, в свою очередь, притягивали более удалённые, мелкие и лёгкие частицы. Таким образом возникло некоторое количество вращающихся тел. Часть этих тел, первоначально двигавшихся в противоположных направлениях, в конечном счёте была втянута в единый поток и образовала кольца материи, расположенные приблизительно в одной плоскости и вращающиеся вокруг звёздного сгустка в одном направлении, не мешая друг другу. В отдельных кольцах образовывались более плотные ядра, к которым постепенно притягивались более лёгкие частицы, формируя шаровидные скопления материи. Так были образованы все планеты Солнечной системы.

1.3 Модель П. Лапласа (1796 г.)

В 1796 г. французский математик и физик Пьер Лаплас (1749–1827) представил свою модель эволюции Вселенной. Если гипотеза Канта затрагивала вопрос происхождения всех космических объектов, то Лаплас ограничился только Солнечной системой. Он полагал, что Солнце существовало первоначально в виде огромной раскалённой газообразной туманности с незначительной плотностью. Эта туманность первоначально медленно вращалась в пространстве. Под влиянием сил гравитации она постепенно сжималась, причём скорость её вращения увеличивалась. Под действием больших центробежных сил, возникающих при быстром вращении в экваториальном поясе, от газовых сгустков последовательно отделялись кольца, которые в результате охлаждения превратились в планеты. Спутники сформировались из вещества вторичных колец, оторвавшихся от раскалённой газообразной массы планет. Реликты такого кольца, вернее, системы колец, полагал Лаплас, и сегодня существуют у Сатурна, менее заметны они у Юпитера и Урана. Вследствие продолжавшегося уплотнения материи температура новообразованных тел была исключительно высокой. В то время и наша Земля представляла собой раскалённый газообразный шар, светившийся подобно звезде. Постепенно, однако, этот шар остывал, его материя переходила из газообразного в жидкое и, в конце концов, в твёрдое состояние.

1.4 Современные небулярные гипотезы

Как мы видим, и Кант, и Лаплас в своей космогонии исходили из одной идеи: Солнечная система возникла в результате закономерного развития туманности. Это дало основание для объединения обеих гипотез в одну, получившую название небулярной гипотезы Канта–Лапласа (небулярная от лат. nebula — облако, туман).

В 1944 г. российский учёный, академик Отто Шмидт (1891–1956) предложил иной вариант небулярной гипотезы. Так же как и Бюффон, он начал с уже готового Солнца, которое, по его мнению, когда-то проходило мимо холодного газо-пылевого облака. Частицы пыли и газы начали вращаться вокруг Солнца, образовав сгущения (планетезимали), которые по мере роста превращались в планеты. Первоначально планеты были холодными, их разогрев и даже частичное плавление произошли потом, за счёт распада радиоактивных элементов.

На сегодняшний день эволюционная космология отдаёт явное предпочтение небулярным гипотезам происхождения Солнечной системы (в частности, гипотезе Шмидта). В школьных и университетских учебниках именно ей уделяется наибольшее внимание (Ковдерко, 2004).

(Современные альтерантивные гипотезы происхождения Солнечной системы, Земли и других планет изложены в гл. 4.)

2. ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ТЕОРИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Если происхождение космических тел во Вселенной стало объектом научных изысканий уже в XVIII в., то вопрос происхождения самой Вселенной оставался без внимания вплоть до ХХ в. Начиная со времён Аристотеля считалось, что Вселенная является статичной, однородной и бесконечной в пространстве и времени. Она существовала и будет существовать всегда. Некоторые философы полагали, что Вселенная существует независимо от Бога, Он её не творил, а лишь установил в ней порядок. В статичную и бесконечную Вселенную верили Декарт, Кант, Галилей, Ньютон. Интересно, что Ньютон обосновывал свою точку зрения, ссылаясь на им же открытый закон гравитации. Закон гравитации говорит, что все тела притягиваются друг к другу, следовательно, невозможно, чтобы звёзды во Вселенной оставались на месте: они должны стягиваться (коллапсировать) в одну точку. Но Ньютон рассуждал так: если бы Вселенная коллапсировала под действием собственной гравитации, каждая звезда «падала» бы в направлении центра скопления звёзд. Если же исходить из того, что Вселенная бесконечна и звёзды распределены в среднем равномерно по бесконечному пространству, то общего центра, по направлению к которому могли бы падать все звёзды, не должно быть вообще, ведь в бесконечной Вселенной все области идентичны. Любая звезда испытывала бы воздействие гравитационного притяжения всех своих соседей, но вследствие усреднения этих воздействий по различным направлениям не возникло бы никакой результирующей силы, стремящейся переместить данную звезду в определённое положение относительно всей совокупности звёзд. Такие рассуждения казались вполне логичными, и теория статичной Вселенной долгое время пользовалась заслуженным признанием (Девис, 1989; Хокинг, 2006а).

В 1916 г. немецкий физик Альберт Эйнштейн (1879–1955), разрабатывая теорию относительности, увидел, что модель статичной Вселенной Ньютона не соответствует законам физического мира. Уравнение общей теории относительности указывало на то, что Вселенная не может быть статичной: гравитационные силы непременно должны были бы приводить её в движение. Эйнштейн, однако, не решился опровергнуть устоявшееся мнение (о неподвижности Вселенной), поскольку не был до конца уверен в безошибочности своих выводов. Для того чтобы сохранить в своей формуле статичность Вселенной, он ввёл дополнительный член (так называемый λ-член), который и «обеспечил» Вселенной стабильность. Эйнштейн считал, что наряду с гравитационным притяжением в природе существует и отталкивание, которое компенсирует притяжение. С помощью несложных расчётов Эйнштейн оценил величину силы космического отталкивания, необходимую, чтобы уравновесить гравитацию во Вселенной, и показал, что отталкивание должно быть столь малым в пределах Солнечной системы (и даже в масштабах Галактики), что его невозможно обнаружить экспериментально. Наличие силы отталкивания делало возможным существование статичной Вселенной, которая не обязательно должна быть бесконечной, как у Ньютона, а могла быть конечной и замкнутой, каковой она и стала у Эйнштейна.

Разумеется, постулирование силы гравитационного отталкивания «на пустом месте» не могло не вызвать замечаний со стороны других учёных. Одним из первых, кто выступил с критикой эйнштейновской модели Вселенной, был российский физик и математик Александр Фридман (1888–1925). Он доказал, что первоначальное решение Эйнштейна не было ошибочным: Вселенная действительно должна пребывать в движении, т.е. либо расширяться, либо сжиматься. Что происходит в реальности, должны показать наблюдения. Фридман в качестве примера рассмотрел две модели Вселенной: расширяющуюся и чередующую периоды сжатия и расширения (пульсирующая Вселенная). Но самое интересное: какую бы модель мы ни принимали, из неё неизбежно вытекало, что когда-то Вселенная была сжатой до невообразимо высокой плотности. «Возможны случаи, когда Вселенная сжимается в точку (в ничто), затем снова из точки доводит свой радиус до некоторого значения…» — писал А. Фридман (Фридман, 1966).

Впрочем, все эти рассуждения о расширяющейся Вселенной воспринимались поначалу скептически. С их критикой выступил и сам Эйнштейн. Астрономы не соглашались считать подобные теории описанием реального мира до тех пор, пока они не будут подтверждены наблюдениями (Ксанфомалити, 2005; Левин, 2007).

2.1 Астрономические свидетельства расширения Вселенной

Ещё в 1912 г. астроном В. Слайфер из Флагстафской обсерватории (Аризона, США), наблюдая спектры некоторых туманностей, обнаружил, что их оптические линии сильно смещены в красную сторону, т.е. в сторону длинных волн. Слайфер продолжал свои наблюдения много лет. Затем к нему присоединился астроном Эдвин Хаббл (1889–1953): в его распоряжении был самый большой тогда 2,5-метровый телескоп обсерватории «Маунт-Вилсон» (Калифорния, США). В 1929 г. Хаббл пришёл к выводу, что красное смещение обусловлено эффектом Доплера и является следствием взаимного удаления галактик.

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

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

2.2 Стандартная модель происхождения Вселенной (теория Большого взрыва)

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

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

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

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

Некоторое время обе версии — «горячего» и «холодного» рождения Вселенной — существовали в космологии на равных, имея и сторонников, и критиков. Дело оставалось за малым: следовало подтвердить их наблюдениями. «Горячая» модель Вселенной предполагала, что нагретое вещество должно было «светиться» — испускать электромагнитные волны. Гамов предположил, что они должны наблюдаться и в современную эпоху в виде слабых радиоволн, и даже оценил температуру этого излучения: по одним его расчётам она равнялась 7°К, по другим — 50°К (Чернин, 1994; Assis, 1995).

И вот в 1965 г. американские радиоинженеры Арно Пензиас и Роберт Уилсон зарегистрировали космическое излучение, которое нельзя было приписать никакому известному тогда космическому источнику. Температура этого излучения равнялась 2,725°К. Учёные пришли к выводу, что это излучение не что иное, как реликт тех далёких времён, когда Вселенная была фантастически горяча, а потому его так и назвали — реликтовым.

После этого открытия выбор был сделан в пользу «горячего» рождения Вселенной. Именно эта модель Вселенной обрела статус общепризнанной и получила дальнейшее развитие.

3. АНАЛИЗ ЭВОЛЮЦИОННЫХ ТЕОРИЙ ПРОИСХОЖДЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ

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

3.1 Вселенная из «ничего». Инфляционная модель Большого взрыва

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

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

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

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

Учитывая вышесказанное, обобщённый сценарий рождения Вселенной из «ничего» выглядит следующим образом: в физическом вакууме вследствие его неустойчивости постоянно возникают возмущения (флуктуации), которые, как правило, слабы и моментально затухают. Однако в какой-то момент времени случайным образом в вакууме произошло возмущение, превысившее обычную величину, и физический вакуум перешёл в возбуждённое состояние (состояние «ложного вакуума»). В результате возникла гигантская сила отталкивания, вызвавшая стремительное расширение «вакуумного пузыря». Далее, начиная с примерно 10—35 секунды после Большого взрыва, Вселенная вступила в фазу экспоненциального расширения, когда её линейные размеры начали увеличиваться с огромной скоростью. Эта фаза расширения получила название инфляции (лат. inflatio — вздутие). Но, как и во всех возбуждённых квантовых системах, ложный вакуум неустойчив и стремится к распаду. Когда распад происходит, отталкивание исчезает. Это, в свою очередь, ведёт к прекращению инфляции и переходу Вселенной во власть обычного гравитационного притяжения. К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной. Однако когда инфляция окончилась, Вселенная вдруг стала чрезвычайно «горячей». Этот всплеск тепла обусловлен огромными запасами энергии, заключёнными в ложном вакууме. Когда вакуум распался, его энергия высвободилась в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную примерно до 1027°К. Благодаря тепловой энергии возникло вещество и антивещество, избыток вещества породил элементарные частицы, из которых образовались все элементы, наблюдаемые сегодня. А Вселенная продолжала расширяться благодаря первоначальному импульсу, приобретённому в период инфляции (Девис, 1989).

Таким образом, согласно инфляционному сценарию, Вселенная начала своё существование из вакуума, лишённого вещества. Но если бы даже вещество и присутствовало изначально, его следы быстро затерялись бы вследствие огромной скорости расширения в фазе инфляции. За чрезвычайно короткий отрезок времени, соответствующий этой фазе, Вселенная выросла от миллиардной доли размера протона до нескольких сантиметров. Плотность любого существовавшего изначально вещества фактически стала бы равной нулю. Поэтому вопрос, из чего состояла Вселенная в момент Большого взрыва, потерял актуальность. Вселенная появилась в результате самопроизвольного взрыва пустого пространства, и всё, что было до этого (если оно было), исчезло (Девис, 1989).