Документ взят из кэша поисковой машины. Адрес
оригинального документа
: http://galspace.spb.ru/indvop.file/8.html
Дата изменения: Unknown
Дата индексирования: Sun Apr 10 00:55:21 2016
Кодировка: Windows-1251
Поисковые слова: рпрпрпрпрпрпрпрпрпрпрпрпрпрп
Теория Большого взрыва сейчас считается столь же несомненной, как и система Коперника. Однако
вплоть до второй половины 1960-х она отнюдь не пользовалась всеобщим признанием, и не только потому, что многие ученые с
порога отрицали саму идею расширения Вселенной. Просто у этой модели имелся серьезный конкурент. Через 11 лет космология
как наука сможет отмечать свой столетний юбилей. В 1917 году Альберт Эйнштейн осознал, что уравнения общей теории
относительности позволяют вычислять физически разумные модели мироздания. Классическая механика и теория гравитации такой
возможности не дают: Ньютон пытался построить общую картину Вселенной, однако при всех раскладах она неизбежно схлопывалась
под действием силы тяготения. Эйнштейн решительно не верил в начало и конец мироздания и поэтому придумал вечно существующую
статичную Вселенную. Для этого ему понадобилось ввести в свои уравнения особую компоненту, которая создавала 'антитяготение'
и тем самым формально обеспечивала стабильность мироустройства. Это дополнение (так называемый космологический член)
Эйнштейн считал неэлегантным, уродливым, но все же необходимым (автор ОТО зря не поверил своему эстетическому чутью -
позднее было доказано, что статичная модель неустойчива и поэтому физически бессмысленна). У модели Эйнштейна быстро
появились конкуренты - модель мира без материи Виллема де Ситтера (1917), замкнутые и открытые нестационарные модели
Александра Фридмана (1922 и 1924). Но эти красивые конструкции до поры оставались чисто математическими упражнениями.
Чтобы рассуждать о Вселенной в целом не умозрительно, надо хотя бы знать, что существуют миры, расположенные за пределами
звездного скопления, в котором находится Солнечная система и мы вместе с нею. А космология получила возможность искать
Тесная двойная система с перетеканием вещества
опору в астрономических наблюдениях лишь после того, как в 1926 году Эдвин Хаббл опубликовал работу 'Внегалактические
туманности', где впервые было дано описание галактик как самостоятельных звездных систем, не входящих в состав Млечного
пути.
Разбегание галактик.
Этот шанс был быстро реализован. До бельгийца Жоржа Анри Леметра, изучавшего астрофизику в Массачусетском технологическом
институте, дошли слухи, что Хаббл вплотную подошел к революционному открытию - доказательству разбегания галактик. В 1927
году, вернувшись на родину, Леметр опубликовал (а в последующие годы уточнил и развил) модель Вселенной, образовавшейся в
результате взрыва сверхплотной материи, расширяющейся в соответствии с уравнениями ОТО. Он математически доказал, что их
радиальная скорость должна быть пропорциональна расстоянию от Солнечной системы. Годом позже к этому же выводу независимо
пришел принстонский математик Хауард Робертсон. А в 1929 году Хаббл получил ту же самую зависимость экспериментально,
обработав данные по удаленности двадцати четырех галактик и величине красного смещения приходящего от них света. Пятью
годами позже Хаббл и его ассистент-наблюдатель Милтон Хьюмасон привели новые доказательства справедливости этого вывода,
осуществив мониторинг очень тусклых галактик, лежащих на крайней периферии наблюдаемого космоса. Предсказания Леметра и
Робертсона полностью оправдались, и космология нестационарной Вселенной, казалось бы, одержала решительную победу.
Непризнанная модель.
Но все же астрономы не спешили кричать ура. Модель Леметра позволяла оценить продолжительность существования Вселенной -
для этого нужно было лишь выяснить численную величину константы, входящей в уравнение Хаббла. Попытки определить эту
константу приводили к заключению, что наш мир возник всего лишь около двух миллиардов лет назад. Однако геологи утверждали,
что Земля много старше, да и астрономы не сомневались, что в космосе полным-полно звезд более почтенного возраста. У
астрофизиков тоже были собственные основания для недоверия: процентный состав распределения химических элементов во
Вселенной на основе леметровской модели (впервые эту работу в 1942 году проделал Чандрасекар) явно противоречил реальности.
Скепсис специалистов объяснялся и философскими причинами. Астрономическое сообщество только-только свыклось с мыслью, что
перед ним распахнулся бесконечный мир, населенный множеством галактик. Казалось естественным, что в своих основах он не
изменяется и существует вечно. А теперь ученым предлагалось признать, что Космос конечен не только в пространстве, но и во
времени (к тому же эта идея наводила на мысль о божественном творении). Поэтому леметровская теория долго оставалась не у
дел.
Впрочем, еще худшая судьба постигла модель вечно осциллирующей Вселенной, предложенную в 1934
году Ричардом Толманом. Она вообще не получила серьезного признания, а в конце 1960-х годов была отвергнута как
математически некорректная. Акции 'раздувающегося мира' не слишком повысились и после того, как в начале 1948 года Джордж
Гамов и его аспирант Ральф Алфер построили новую, более реалистичную версию этой модели. Вселенная Леметра родилась из
взрыва гипотетического 'первичного атома', который явно выходил за рамки представлений физиков о природе микромира. Джордж
Гамов и Ральф Алфер предположили, что Вселенная вскоре после рождения состояла из хорошо известных частиц - электронов,
фотонов, протонов и нейтронов. В их модели эта смесь была нагрета до высоких температур и плотно упакована в крохотном (по
сравнению с нынешним) объеме. Гамов с Алфером показали, что в этом супергорячем супе происходит термоядерный синтез, в
результате которого образуется основной изотоп гелия, гелий-4. Они даже вычислили, что уже через несколько минут материя
переходит в равновесное состояние, в котором на каждое ядро гелия приходится примерно десяток ядер водорода. Такая
пропорция вполне соответствовала астрономическим данным о распределении легких элементов во Вселенной. Эти выводы вскоре
подтвердили Энрико Ферми и Энтони Туркевич. Они к тому же установили, что процессы термоядерного синтеза обязаны порождать
немного легкого изотопа гелия-3 и тяжелые изотопы водорода - дейтерий и тритий. Сделанные ими оценки концентрации этих
трех изотопов в космическом пространстве тоже совпадали с наблюдениями астрономов.
Проблемная теория. Но астрономы-практики продолжали сомневаться.
Во-первых, оставалась проблема возраста Вселенной, которую теория Гамова решить не могла. Увеличить продолжительность
существования мира можно было, только доказав, что галактики разлетаются много медленней, чем принято считать (в конечном
счете так и произошло, причем в немалой степени с помощью наблюдений, выполненных в Паломарской обсерватории, но уже в
1960-е годы). Во-вторых, гамовская теория забуксовала на нуклеосинтезе. Объяснив возникновение гелия, дейтерия и трития,
она не смогла продвинуться к более тяжелым ядрам. Ядро гелия-4 состоит из двух протонов и двух нейтронов. Все было бы
хорошо, если бы оно могло присоединить протон и превратиться в ядро лития. Однако ядра из трех протонов и двух нейтронов
или двух протонов и трех нейтронов (литий-5 и гелий-5) крайне неустойчивы и мгновенно распадаются. Поэтому в природе
существует лишь стабильный литий-6 (три протона и три нейтрона). Для его образования путем прямого синтеза необходимо,
чтобы с ядром гелия одновременно слились и протон, и нейтрон, а вероятность этого события крайне мала. Правда, в условиях
высокой плотности материи в первые минуты существования Вселенной подобные реакции все же изредка происходят, что и
объясняет очень малую концентрацию древнейших атомов лития. Природа приготовила Гамову еще один неприятный сюрприз. Путь
к тяжелым элементам мог бы лежать и через слияние двух ядер гелия, но эта комбинация тоже нежизнеспособна. Объяснить
происхождение элементов тяжелее лития никак не удавалось, и в конце 1940-х годов это препятствие казалось непреодолимым
(сейчас мы знаем, что они рождаются только в стабильных и взрывающихся звездах и в космических лучах, но Гамову это не
было известно). Впрочем, у модели 'горячего' рождения Вселенной оставалась в запасе еще одна карта, которая со временем
Научная элита: Фред Хойл
стала козырной. В 1948 году Алфер и другой ассистент Гамова, Роберт Герман, пришли к выводу, что космос пронизан
микроволновым излучением, возникшим спустя 300 тысяч лет после первичного катаклизма. Однако радиоастрономы не проявили
интереса к этому прогнозу, и он так и остался на бумаге.
Появление конкурента. Гамов и Алфер изобрели свою 'горячую' модель в
столице США, где с 1934 года Гамов преподавал в университете имени Джорджа Вашингтона. Многие продуктивные идеи возникли у
них под умеренную выпивку в баре 'Маленькая Вена' на Пенсильвания-авеню неподалеку от Белого дома. А если этот путь к
построению космологической теории кое-кому кажется экзотичным, что можно сказать об альтернативе, появившейся на свет под
влиянием фильма ужасов? В доброй старой Англии, в университетском Кембридже, после войны обосновались трое замечательных
ученых - Фред Хойл, Герман Бонди и Томас Голд. Перед этим они работали в радиолокационной лаборатории британских ВМФ, где
и подружились. Хойлу, англичанину из Йоркшира, к моменту капитуляции Германии еще не исполнилось и 30, а его приятелям,
уроженцам Вены, стукнуло по 25. Хойл и его друзья в свою 'радарную эру' отводили душу в беседах о проблемах мироздания и
космологии. Все трое невзлюбили модель Леметра, но закон Хаббла приняли всерьез, а потому отвергли и концепцию статичной
Вселенной. После войны они собирались у Бонди и обсуждали те же проблемы. Озарение снизошло после просмотра кинострашилки
'Мертвые в ночи'. Ее главный герой Уолтер Крейг попал в замкнутую событийную петлю, которая в конце картины возвратила его
в ту же ситуацию, с которой все и началось. Фильм с такой фабулой может длиться бесконечно (как стишок о попе и его собаке).
Тут-то Голд и сообразил, что Вселенная может оказаться аналогом этого сюжета - одновременно изменяющейся и неизменной!
Научная элита. Фред Хойл: 'Расширение Вселенной происходит вечно! Вещество
рождается в пустоте самопроизвольно с такой скоростью, что средняя плотность Вселенной остается постоянной' (фото с сайта
www.popmech.ru) Несмотря на то, что космология стабильного состояния канула в Лету, ее авторы стали элитой мировой науки и
оставили в истории значительный след. Фред Хойл (1915-2001) приобрел всемирную известность как отец-основатель теории
звездного нуклеосинтеза и классик астрофизики (а также как писатель-фантаст и популяризатор науки). Герман Бонди
(1919-2005), эмигрировавший в Англию еще до Второй мировой, остался там и после войны. Он стал крупнейшим специалистом по
ОТО, работал главным научным консультантом минобороны и минэнергетики Великобритании, получил (как и Хойл) дворянство, был
гендиректором Европейской организации космических исследований (ныне Европейское космическое агентство), президентом
нескольких научных обществ, ректором одного из кембриджских колледжей. Томас Голд (1920-2004) в конце 1950-х перебрался в
США, в Корнеллский университет, где работал до самой смерти. Он выполнил важнейшие исследования космического магнетизма
(термин 'магнитосфера' - его изобретение), совместно с Хойлом предложил модель пульсара как вращающейся нейтронной звезды с
сильным магнитным полем и даже выдвинул элегантную, но, скорее всего, неправильную теорию тектонического происхождения угля
и нефти. Друзья сочли идею безумной, но потом решили, что в ней что-то есть. Объединенными усилиями они превратили гипотезу
в связную теорию. Бонди с Голдом дали ее общее изложение, а Хойл в отдельной публикации 'Новая модель расширяющейся
Вселенной' - математические расчеты. За основу он взял уравнения ОТО, но дополнил их гипотетическим 'полем творения'
(Creation field, С-поле), обладающим отрицательным давлением. Нечто в этом роде через 30 лет появилось в инфляционных
космологических теориях, что Хойл подчеркивал с немалым удовольствием.
Космология стабильного состояния. Новая модель вошла в историю науки как
Космология стабильного состояния (Steady State Cosmology). Она провозгласила полное равноправие не только всех точек
пространства (это было у Эйнштейна), но и всех моментов времени: Вселенная расширяется, но начала не имеет, поскольку
всегда остается подобной себе самой. Голд назвал это утверждение совершенным космологическим принципом. Геометрия
пространства в этой модели остается плоской, как и у Ньютона. Галактики разбегаются, однако в космосе 'из ничего' (точнее,
из поля творения) появляется новое вещество, причем с такой интенсивностью, что средняя плотность материи остается
неизменной. В соответствии с известным тогда значением постоянной Хаббла Хойл вычислил, что в каждом кубометре пространства
в течение 300 тысяч лет рождается всего одна частица. Сразу снимался вопрос, почему приборы не регистрируют эти процессы, -
они слишком медленны по человеческим меркам. Новая космология не испытывала никаких трудностей, связанных с возрастом
Расширение Вселенной после Большого Взрыва
Вселенной, этой проблемы для нее просто не существовало. Для подтверждения своей модели Хойл предложил воспользоваться
данными о пространственном распределении молодых галактик. Если С-поле равномерно творит материю повсюду, то средняя
плотность таких галактик должна быть примерно одинаковой. Напротив, модель катаклизмического рождения Вселенной
предсказывает, что на дальней границе наблюдаемого космоса эта плотность максимальна - оттуда к нам приходит свет
еще не успевших состариться звездных скоплений. Хойловский критерий был совершенно разумным, однако в то время проверить
его не представлялось возможным из-за отсутствия достаточно мощных телескопов.
Триумф и поражение. Больше 15 лет соперничающие теории сражались почти на равных. Правда, в 1955 году английский
радиоастроном и будущий нобелевский лауреат Мартин Райл обнаружил, что плотность слабых радиоисточников на космической
периферии больше, чем около нашей галактики. Он заявил, что эти результаты несовместимы с Космологией стабильного состояния.
Однако через несколько лет его коллеги пришли к выводу, что Райл преувеличил различия плотностей, так что вопрос остался
открытым. Гамовскую теорию долгое время называли вполне академично - 'динамическая эволюционирующая модель'. А
словосочетание 'Большой взрыв', как ни странно, ввел в оборот не автор этой теории и даже не ее сторонник. В 1949 году
продюсер научных программ BBC Питер Ласлетт предложил Фреду Хойлу подготовить серию из пяти лекций. Хойл блистал перед
микрофоном и мгновенно приобрел множество поклонников среди радиослушателей. В последнем выступлении он заговорил о
космологии, рассказал о своей модели и под конец решил свести счеты с конкурентами. Их теория, сказал Хойл, 'основана
на предположении, что Вселенная возникла в процессе одного-единственного мощного взрыва и потому существует лишь конечное
время... Эта идея Большого взрыва кажется мне совершенно неудовлетворительной'. Вот так впервые и появилось это выражение.
На русский его можно перевести и как 'Большой хлопок', что, вероятно, точнее соответствует уничижительному смыслу, который
вложил в него Хойл. Через год его лекции были опубликованы, и новый термин пошел гулять по свету. Но на двадцатом году
жизни хойловская космология стала быстро увядать. К этому времени астрономы доказали, что постоянная Хаббла на порядок
меньше прежних оценок, что позволило поднять предполагаемый возраст Вселенной до 10-20 млрд. лет (современная оценка -
13,7 млрд. лет + 200 млн). А в 1965 году Арно Пензиас и Роберт Вильсон зарегистрировали предсказанное Алфером и Германом
излучение и тем самым сразу привлекли к теории Большого взрыва великое множество сторонников. Вот уже сорок лет эта теория
считается стандартной и общепризнанной космологической моделью. У нее есть и конкуренты разных возрастов, но вот теорию
Хойла всерьез никто больше не принимает. Ей не помогло даже открытие (в 1999 году) ускорения разлета галактик, о
возможности которого писали и Хойл, и Бонди с Голдом. Ее время бесповоротно ушло.
Сотворение Вселенной заняло вовсе не шесть дней -
основная доля работы была завершена гораздо раньше.
Календарь Вселенной
Планковская эра
10-43 с. Планковский момент. Происходит отделение гравитационного
взаимодействия. Размер Вселенной в этот момент равен 10-35 м (наз Планковская длина)
10-37 с. Инфляционное расширение Вселенной.
Эра великого объединения
10-35 с. Разделение сильного и электрослабого взаимо- действий. 10-12 с. Отделение слабого взаимодействия
и окончательное разделение взаимодействий.
Адронная эра
10-6 с. Аннигиляция протон-антипротонных пар. Ква- рки и антикварки перестают
существовать, как свободные частицы.
Лептонная эра
1 с. Формируются ядра водорода. Начинается ядерный синтез гелия.
Эра нуклеосинтеза
3 минуты. Вселенная состоит на 75% из водорода и на 25% из гелия,
а также следовых количеств тяжелых элементов.
Радиационная эра
1 неделя. К этому времени излучение термализуется.
Эра вещества
10 тыс. лет. Вещество начинает доминировать во Все- ленной. 380 тыс. лет. Ядра водорода и электроны ре- комбинируют,
Вселенная становится прозрачной для излучения.
Звездная эра
1 млрд лет. Формирование первых галактик. 1 млрд лет. Образование первых звезд. 9 млрд лет. Образо- вание Солнечной
системы. 13,5 млрд лет. Текущий момент развития нашей Вселенной.