§17. КОСМОЛОГИЯ

Космология - это наука, изучающая Вселенную, взятую в целом. Если отдельные отрасли астрономии изучают отдельные виды небесных тел: планеты, звезды, галактики и т.п., то космология изучает общие законы строения и эволюции Вселенной.

Один из ключевых разделов космологии называется космогония - это наука, изучающая возникновение Вселенной - каким образом появились наблюдаемые ныне галактики, звезды и планеты. Вопросы о возникновении Вселенной интересовали человечество с самых древних времен. Первоначально господствовали разные мифологические и религиозные представления, которые современному человеку кажутся совершенно нелепыми: например, христианская и иудейская религии утверждают, что бог создал весь мир за 6 дней и было это только несколько тысяч лет назад. Аналогичные идеи есть и в иных религиях. По мере развития науки проповедники религии говорили, что эти слова следует понимать не буквально, а символически (например, "6 дней творения - это 6 геологических эпох"). Например, Исаак Ньютон, который был очень набожным человеком и был известен своим современникам не столько как ученый, сколько как автор трудов по богословию, утверждал, что роль бога в сотворении мира свелась к тому, что он дал материи "первый толчок", после чего материя стала эволюционировать уже самостоятельно. Хотя и по сей день в религии есть течение, которое называется "креационизм", сторонники которого утверждают, что рассказы библии про сотворение мира за 6 дней несколько тысяч лет назад следует воспринимать буквально.

В XVIII веке благодаря усилиям французских просветителей в науке восторжествовали атеистические идеи и господствующим стало мнение, что материя существует вечно, и необходимости в боге-творце не существует. Это был очень большой шаг вперед. Но недостаток материализма XVIII века был в том, что он был механистическим. Считалось, что небесные тела вечно движутся по круговым орбитам и никакой эволюции не происходит.

Следующим шагом вперед была гипотеза Канта, впоследствии развитая Лапласом, о возникновении Солнечной системы из газовой туманности. Это была первая материалистическая теория эволюции космических объектов. Однако при тогдашнем уровне развития науки эта гипотеза так и осталась гипотезой.

Поскольку основными силами, действующими в космосе, являются силы гравитации, то сразу же после открытия закона тяготения Ньютона были предприняты попытки применить ньютоновскую механику к космологии. Однако все эти попытки оказались неудачны и привели к механическому детерминизму. Из механики Ньютона вытекало, что если мы знаем координаты, скорости и ускорения всех частиц во Вселенной в данный момент времени, то мы можем знать их положения в любой другой момент времени. Из этого вытекал вывод о полной предопределенности будущего, т.е. фактически происходило возрождение религиозных представлений о "судьбе". Более того, космология приводила к разным парадоксам, таким как: "гравитационный парадокс" (в бесконечной Вселенной на каждое тело должна действовать бесконечная сила тяжести), "парадокс Ольберса" (при суммировании излучения от бесконечного количества звезд всё ночное небо должно быть ярким, как поверхность Солнца), гипотеза "тепловой смерти" Вселенной пр.

После того, как общая теория относительности внесла поправку в представлениях о гравитации, была сделана попытка применить к космологии новые законы тяготения. Из общей теории относительности Эйнштейн в 1916 году вывел уравнения состояния Вселенной, однако эти уравнения допускали различные варианты решений в зависимости от выбора начальных условий. Первым решить эти уравнения попытался сам Эйнштейн, взяв в качестве начальных условий представления о стационарности Вселенной (независимости ее свойств от времени), что соответствовало тогдашнему общепринятому мнению. Однако оказалось, что при таких условиях уравнения не имеют решения. Эйнштейн попытался спасти положение, выдвинув гипотезу о том, что кроме сил гравитационного притяжения, должны существовать еще и силы гравитационного отталкивания, прямо пропорциональные расстоянию (которые очень слабы в рамках солнечной системы, но становятся определяющими в более крупных масштабах). Однако эта гипотеза изначально была искусственной и не имеющей физического смысла.

Другое решение этих уравнений получил в 1922 году советский математик А.Фридман. Он взял в качестве начальных условий не стационарность Вселенной, а ее однородность и изотропность. Эти понятия означают, что в каждый данный момент времени свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках и не зависят от выбора направления наблюдений. Результаты расчетов Фридмана оказались совершенно удивительны - масштабы Вселенной не могут быть постоянны во времени - в зависимости от средней плотности вещества во Вселенной она может либо расширяться, либо сужаться. Через 7 лет, в 1929 году, английский астроном Э.Хаббл подтвердил выводы Фридмана. Сопоставив скорости движения галактик и расстояния до них, он пришел к выводу, что все галактики удаляются от нас, причем скорость прямо пропорциональна расстоянию:

v = Hr

Коэффициент пропорциональности Н называется постоянной Хаббла. Ее значение лежит в диапазоне 50-80 (км/с)/Мпк. Таким образом, можно сделать вывод, что Вселенная расширяется. Можно определить момент времени, когда началось расширение Вселенной. Этот момент, когда все вещество Вселенной, до этого находившееся в очень компактном объеме, вдруг по каким-то причинам неожиданно начало расширяться, называется Большой взрыв. Он произошел около 15 миллиардов лет назад. Момент Большого взрыва и считается моментом происхождения Вселенной в ее нынешнем виде. Чтобы представить, каким образом расширение Вселенной связано с разбеганием галактик, возьмем воздушный шарик и нанесем на него точки, которые будут изображать галактики. Если будем надувать шарик (аналог расширения Вселенной), увеличивая его радиус, то и расстояния между точками, символизирующими галактики, тоже будет увеличиваться. Таким образом, разбегание галактик будет наблюдаться из любой точки расширяющейся Вселенной.

Не является ли гипотеза о Большом взрыве подтверждением религиозных выводов, что в некий момент "материя была сотворена из ничего"? Нет, не является. Момент Большого взрыва - это не "возникновение материи", а лишь переход ее из одного состояния в другое.

В 1934 году английские физики Э.Милн и В.Маккри доказали, что расширение Вселенной и ее эволюцию можно объяснит и исходя из ньютоновской механики. Раньше попытки применить ньютоновскую механику к космологии были неудачны, потому что никто не мог подумать, что Вселенная может расширяться. Но после того, как ньютоновская механика была применена к расширению Вселенной, то были получены вполне удовлетворительные результаты. Вот ход этих расчетов.

Как известно из закона тяготения, ускорение, которое сфера радиуса R и массы М вызывает у единичной пробной массы, равно:

a = GM/R²

Будем считать, что R и М - это радиус и масса Метагалактики (Метагалактика - это совокупность небесных тел, имеющих общее происхождение после Большого взрыва, в современной науке понятие "Метагалактика" отождествляют с понятием Вселенная. Учитывая, что ускорение - это вторая производная радиуса, получаем дифференциальное уравнение движения пробной массы, при решении которого получим для скорости:

v²/2 - GM/R = E, или:

v² = 2GM/R + 2E

Где Е - некоторая константа. Видно, что если Е больше или равно 0, то скорость пробной массы всегда будет положительной, то есть расширение Вселенной будет продолжаться вечно. Если же E<0, то в определенный момент скорость станет равна нулю, а затем расширение Вселенной сменится сжатием.

Включим в полученную формулу закон Хаббла v=HR, а также выведем массу через среднюю плотность вещества во Вселенной:

M = (4/3)πR³ρ_ср

Тогда получим:

H² - (8/3)πρ_срG = 2E/R²

или

(8/3)πG [(3/8)H²/πG - ρ_ср] = 2E/R2

Величина (3/8)H²/πG, как очевидно, имеет смысл критической плотности. Если средняя плотность вещества во Вселенной меньше критической, то E > 0, то есть расширение Вселенной будет продолжаться вечно. А если же средняя плотность вещества больше критической, то E < 0, и это значит, что в определенный момент времени расширение Вселенной может смениться сжатием.

В формулу для критической плотности входят только константы, и ее легко вычислить - она равна около 6*10^-30 г/см³. А чему равна средняя плотность вещества во Вселенной? В 1950-х годах голландский астроном Я.Оорт, проанализировав многовековые данные оптических наблюдений, установил, что средняя плотность вещества во Вселенной равна 3*10^-31 г/см³, что в 20 раз меньше критической, и, если верить этим данным, то расширение Вселенной будет продолжаться неограниченно. Это, однако, не окончательные данные, поскольку свой вклад в массу и среднюю плотность Вселенной может вносить материя, не дающая оптического излучения (ее называют "скрытая масса"). В настоящий момент вопрос о том, каково точное значение средней плотности вещества во Вселенной, и, соответственно, насколько долго будет продолжаться расширение Вселенной, пока остается открытым.

Представления о расширении Вселенной произвели переворот в космологии. Развернувшаяся дискуссия дала новое развитие этой отрасли науки.

Во-первых, в ходе борьбы с религиозными и идеалистическими теориями (утверждавшими, что якобы в ходе Большого взрыва "материя возникла из ничего"), был решен вопрос, какие превращения материи происходили в начале существования нынешней Вселенной. До Большого взрыва материя находилась в так называемом "сингулярном" состоянии, про свойства которого еще мало чего известно. Плотность материи в этом состоянии настолько велика, что в научной литературе используется образное выражение, что "вся Вселенная была сжата в одну точку". При такой плотности свойства материи кардинальным образом изменяются. Наука, которая исследует такое состояние материи - квантовая теория гравитации - находится пока еще в зачаточном положении. Можно предполагать, например, что при таких плотностях и энергиях все четыре известные на настоящий момент взаимодействия - гравитационное, электромагнитное, ядерное и слабое - были объединены в одно единое взаимодействие. В первые мгновения после Большого взрыва материя находилась в состоянии, которое условно называют "материя как таковая". Тогда еще не было ни элементарных частиц, ни полей. Через 10^-35 секунд начался синтез первичных частиц - кварков, и единое взаимодействие начинает разделяться на 4 взаимодействия, известные нам. Через 100 секунд после Большого взрыва начинается синтез атомных ядер. Подробнее эти процессы хорошо описаны в книге американского ученого С.Вайнберга "Первые три минуты".

Космологическая теория помогла объяснить и такое явление, как «антропный принцип». Дело в том, что было выяснено - если бы многие константы физики - гравитационная постоянная, постоянная Планка, масса и заряд электрона и др. - были бы хоть на один процент больше или меньше - то жизнь во Вселенной была бы невозможна. В принципе, нетрудно догадаться, что если бы набор констант был другим, то не было бы наблюдателя, который мог бы это зафиксировать. Но каким образом все константы так "удачно" совпали? Религия, конечно, тут же попыталась использовать это в своих целях, утверждая, что это бог так мудро подобрал все константы. С такими спекуляциями любит выступать, например, секта иеговистов. В действительности же этому феномену есть простое объяснение. Большой взрыв, в ходе которого возникли все существующие физические константы, породил лишь нашу Метагалактику (Вселенную), а, возможно, кроме нее, существуют и другие метагалактики (вселенные) с другим набором констант, и наша Вселенная - лишь одна из бесконечного множества, и именно в нашей Вселенной по теории вероятности набор констант сложился таким образом, что благоприятствует развитию жизни. Как не у каждой звезды могут быть планеты и не на каждой планете может существовать жизнь, так и не в каждой Вселенной физические константы могут быть таковы, чтобы мог существовать наблюдатель, который бы это зафиксировал.

Расширение Вселенной требует преодоления силы гравитационного притяжения. Откуда берется энергия на это? В результате расширения всех масштабов во Вселенной увеличиваются также и длины волн оптического излучения (мы это наблюдаем как "красное смещение" в спектрах галактик), что равнозначно уменьшению энергии фотонов. То есть фотоны как раз отдают свою энергию на преодоление гравитационного притяжения. Каков механизм передачи энергии? Вопрос этот пока остается открытым. В последнее время для его объяснения вводят новую среду, которую называют "темное вещество".

Наблюдения сверхновых звезд в 1990-е годы показали, что расширение Вселенной происходит с ускорением, причем именно сейчас происходит переход от замедления к ускорению. Объяснить это можно в том случае, если признать 4 типа материи во Вселенной. Раньше было известно два типа материи - вещество и излучение (поле). Теперь к ним добавились еще два, имеющие пока не совсем удачные названия "темное вещество" и "вакуум". В целом реестр форм материи теперь выглядит таким образом:

1) "светящееся вещество" (звезды, планетные системы, межзвездная среда и всё прочее, что состоит из атомов). Его доля – лишь около 4% всей массы Вселенной (в том числе: тяжелые элементы (планеты и пр.) – 0,03%, звезды – 0,5%, остальное – межзвездный газ), а плотность всего этого составляет около 0,02 доли критической плотности.

2) излучение. Его плотность (в пересчете из энергии на массу - от 8*10^-5 до 3*10^-4 от критической (точное значение зависит от вклада гравитонов, нейтрино и др.)

3) "темное вещество" (часто используется менее корректный термин - "темная материя"). Его доля - 23% массы всей материи во Вселенной, а плотность - 0,2-0,4 от критической. Оно неспособно к электромагнитному взаимодействию и проявляет себя только через гравитацию. Считается, что оно неспособно к электромагнитному взаимодействию.  Предполагают, что оно состоит из частиц, которые называют WIMP (это сокращение от фразы «Weak Interacting Massive Particles» - «слабо взаимодействующие массивные частицы»). Подробнее о них будет рассказано в §36. Вероятно, оно состоит из сверхсветовых частиц.

4) «вакуум», или «темная энергия» (оба эти термина с научной точки зрения не вполне корректны). Это состояние материи было введено для того, чтобы объяснить наличие ускорения при расширении Вселенной. Его доля – 73% массы Вселенной, а плотность - 0,6 - 0,8 от критической. Про свойства этого состояния материи наука утверждает следующее. Плотность вакуума положительна, а давление его - отрицательно. Уравнение состояния вакуума выглядит так: p_v = -ρ_v. Поскольку, cогласно теории Фридмана, тяготение создается не только плотностью среды, но и давлением в комбинации ρ + 3p, вакуум вызывает антигравитационный эффект: r_G = ρ_v +3p_v = -2ρ_v. Вакуум не может служить системой отсчета. Покой и движение относительно вакуума неразличимы. Воздействуя на все тела природы своей антигравитацией, сам вакуум никакому гравитационному взаимодействию не поддается. Можно сказать, что у вакуума есть отличная от нуля (и притом отрицательная) активная гравитационная масса, а его пассивная гравитационная масса равна нулю.

Если в нерелятивистскую модель Милна, описанную в начале этого параграфа, вставить все эти 4 компоненты, то это будет полностью сходиться с данными последних экспериментов.

Такие выводы (особенно относительно "вакуума"), хотя, несомненно, имеют в себе здравое зерно, но их формулировки могут служить свидетельством кризиса представлений, основанных на теории относительности. Похоже, что "вакуум" в космологии играет такую же роль, которую играли флогистон в химии или идеализм в диалектике. Задача, стоящая перед современной космологией - сохранив и развив ее достижения (открытие Большого взрыва, расширения и эволюции Вселенной), освободится от неверных представлений, оставшихся от теории относительности. В частности, зная 4 типа материи, можно провести их классификацию в зависимости от скорости передвижения частиц этой материи:

Скорость движения частиц материи	Тип материи
0 (?)	"Вакуум" («Темная энергия»)
Больше 0, меньше скорости света	"Светящееся вещество"
Скорость света	Излучение
Больше скорости света	"Темное вещество" («Темная материя»)

 

В продолжение темы:
публикация журнала «Наука и жизнь» о «темной материи»
Космический телескоп "Ферми" разглядел "тёмную материю"