Развивающаяся Вселенная

1.2 Три кита, на которых стоит новая космология.
[Продолжение]

Под действием антигравитации тела получают ускорение, противоположное тому, которое сообщается им притяжением:    a_ = Lc² R/3.  Здесь с – скорость света, R – расстояние до объекта изучения. Из условия, что ускорение антигравитации должно по абсолютной величине равняться ускорению, сообщаемому притяжением, находится значение L в современном мире. Этот член равен 10 ^{– 56} см ^–2. Величина настолько малая, что в лабораторных условиях и в окрестностях нашей Галактики ее невозможно выявить на фоне существенно более мощных сил притяжения. Но эффект отталкивания растет с увеличением расстояния R, и у галактик, расположенных на удалении порядка миллиарда световых лет, он может проявлять себя заметным образом.

Дальнейшее развитие событий протекало так. В 1922-1923 годах петербургский математик А.А. Фридман получил выдающийся результат, по достоинству оцененный не сразу и не всеми. Он получил нестационарное решение уравнений ОТО применительно к Вселенной, не прибегая к дополнительным постулатам. В последующем выяснилось, что только нестационарное решение устойчиво. Это означало, что Вселенная может либо расширяться, либо сжиматься, но не может пребывать в неподвижности. После небольшого спора с автором нестационарного решения, Эйнштейн публично признал, что математически все безупречно и остается выяснить, имеет ли такое решение физический смысл. Когда же через семь лет после этого Э.Хаббл объяснил наблюдаемое красное смещение в спектрах галактик расширением Вселенной, физический смысл решения был определен, а в сознание людей начало проникать понимание того, что мы живем в развивающемся Мире. Из наблюдательных данных Хаббл вывел названный его именем закон, связывающий скорость v удаления галактики от наблюдателя с расстоянием до нее R : v = H * R. Коэффициент пропорциональности Н получил название постоянной Хаббла, его размерность [км/(с * Мпс)]. При этом размерность скорости км/с, а расстояния – Мпс. Значение Н определяется на основе наблюдательных данных.

Нестационарное решение уравнений ОТО для Вселенной позволило обратить время назад, прокрутить "киноленту" в обратном направлении – от Вселенной сегодняшнего дня к ее далекому прошлому. Теоретический экскурс в прошлое показал, что расширение началось много миллиардов лет назад из одной точки, в которой первоначально концентрировалось все вещество. В математической интерпретации точка не имеет размера и, следовательно, плотность вещества в ней должна быть бесконечно большой. Точка, в которой физический или математический параметр обращается в бесконечность, называют сингулярностью. В данном случае сингулярность выступает как "начало" Вселенной, она получила название космологической сингулярности. К этому феномену мы вернемся позже. Но независимо от того, идет ли речь о космологической сингулярности как о физической реальности или она есть продукт неоправданной математической экстраполяции на область, в которой исходные уравнения не работают, расширение Вселенной началось из особого состояния. В этом состоянии свойства вещества и связанного с ним пространственно-временного континуума были совсем иными, чем в современной Вселенной. В исходном состоянии должны были возникнуть могучие силы, произведшие некий "взрыв" и сообщившие веществу огромную кинетическую энергию, разорвавшую цепи гравитации. Только так можно понять наблюдаемое расширение вещества Вселенной в наши дни.

Нестационарное решение уравнений ОТО предсказывает три возможных варианта ее динамического развития из исходной сингулярности. Выбор конкретного варианта определяется начальными условиями, в первую очередь отношением кинетической энергии разлетающихся частиц вещества к гравитационной энергии, стремящейся затормозить разлет до полной остановки с последующим возвратом частиц в исходное положение. Так и произойдет, если гравитационная энергия превысит кинетическую. Для наблюдателя момент перехода от расширения к сжатию будет отмечен сменой в спектрах галактик красного смещения на синее смещение, то есть на сдвиг линий химических элементов в сторону более коротких длин волн. Вселенную такого типа назвали закрытой. Если же кинетическая энергия будет преобладать над гравитационной, то разлет никогда не будет остановлен. Это - Вселенная открытого типа. Наконец, в граничном случае, при точном равенстве энергий обоих видов, расширение не прекратится, но его скорость будет стремиться к нулю и через несколько десятков миллиардов лет наступит квазистационарное состояние.

Три возможных варианта развития Вселенной представлены на графике рис.1.1.

Возникает естественный вопрос: какой из трех вариантов реализуется во Вселенной? Ответ на него остается за наблюдательной астрономией. Она должна оценить среднюю плотность вещества в современной Вселенной и уточнить значение постоянной Хаббла, определяемое данными наблюдений. Достаточно надежные оценки этих величин пока отсутствуют. Современные данные создают впечатление, что средняя плотность тяготеющих масс во Вселенной близка к критическому значению, она либо немного больше, либо немного меньше критической плотности r_к . Однако от этого "немного" зависит будущее Вселенной, правда, весьма отдаленное будущее. Остается добавить, что в последние годы разрабатываются модели ранней Вселенной, из которых следует, что в начальный момент ее возникновения существовало точное равенство значений кинетической и гравитационной энергий, то есть выполнялось равенство r/r_к=1. Если будет получено подтверждение такого допущения, то разрешатся многие фундаментальные затруднения космологии в вопросе о ранней Вселенной. Постоянная Хаббла позволяет оценить время t_p от начала расширения до наших дней. Для этого можно воспользоваться простым приближенным соотношением: t_p=3*10¹⁹/H. Если в формулу подставляется Н км/(Мпс*с), то время выразится в секундах. Считая Н постоянной, не меняющейся со временем, в пределах существующего разброса в оценках этой величины время существования Вселенной определяется интервалом от 12 до 18 миллиардов лет. Наиболее вероятный возраст Вселенной полагают равным 15 миллиардам лет, но появляются данные, говорящие о том, что возраст на самом деле не менее 20 миллиардов лет. Эти данные обсудим несколько позже.

Расширением вещества не исчерпываются важнейшие процессы, которые необходимо учитывать при создании модели динамичной Вселенной. Возникают, по меньшей мере, еще две проблемы. Прежде всего – проблема начала, ставящая ряд трудных вопросов: каким было исходное состояние Мира перед взрывом, каков механизм взрыва, откуда получена необходимая энергия и как она передана веществу, что было с пространственно-временным континуумом в экстремальных условиях "начала" и другие. Рассмотрение наукой этих вопросов пока находится на уровне гипотез. История самого раннего периода расширяющейся Вселенной наиболее уязвима для критики.

Другая проблема состоит в том, что вещество в начальный период расширения было совсем не таким, как в наше время. Согласно наиболее продвинутой гипотезе "горячей Вселенной" предполагается, что вначале появился сгусток очень плотного и очень горячего вещества, сосредоточенного в области с предельно малыми размерами. Температура частиц в сгустке оценивается фантастически высоким значением порядка 10²⁸ К при предельной плотности вещества 10⁹⁴ г/см³. Такие условия невоспроизводимы в земных лабораториях, они не встречаются и в известных астрономам космических объектах. Самая высокая температура в недрах наиболее горячих стабильных звезд порядка 10⁹ К, а самые высокие плотности вещества (в недрах нейтронных звезд) достигают 10¹⁵ г/см³. Эти сами по себе внушительные цифры, не идут ни в какое сравнение с тем, что предполагается в концепции горячей Вселенной в качестве ее исходных параметров. Состояние вещества в таких условиях кардинально отличается от современного, микромир оказывается представленным своими простейшими формами, которые назовем протовеществом. По мере расширения Вселенной снижались температура и плотность сгустка, что сопровождалось преобразованием исходных форм вещества во все более сложные. Подобные процессы трансформации вещества одних форм в другие в зависимости от состояния среды, изучаются разделом науки, называемым "Физикой высоких энергий". Уровень знаний в этой дисциплине обеспечивает возможность обоснования соответствующей части модели расширяющейся Вселенной и ее следует считать еще одним, третьим китом космологии.

Преобразование вещества из одних форм в другие происходит при точно известных значениях двух параметров сгустка – температуры (она же служит мерой кинетической энергии частиц) и плотности. Теория определяет закон снижения со временем этих параметров в ранней Вселенной. В определенные моменты времени температура и плотность расширяющегося вещества достигали критических значений, при этом совершались преобразования вещества. Характерная особенность трансформации: чем ниже температура, тем появлялись все более сложные формы вещества, тем в большей степени нарастала упорядоченность систем. Это позволяет говорить о направленности процесса развития Вселенной, что принципиально меняет прежние научные представления о развитии в Природе. В частности, раз общим направлением эволюции Мира является движение по восходящей, а не по нисходящей линии, как считалось раньше, то материи должна быть присуща не только разрушительная, но и созидательная тенденция.

Современная наука сумела установить существо и механизм действия созидательной тенденции, и произошло это на наших глазах, в последние три десятилетия. В основе созидательной тенденции лежит способность материи к самоорганизации.