Вселенная – самая крупная материальная система. Её происхождение интересует людей ещё с древних времён. В начале Вселенная была «безвидна и пуста» – так сказано в Библии. Сначала был вакуум – уточняют современные физики. Каковы же истоки происхождения Вселенной? Как она развивается? Каковы причины её возникновения? На эти и другие вопросы пытались ответить учёные разных времён. Однако получить полностью исчерпывающие ответы на них до сих пор не удалось. В связи с этим нельзя не вспомнить слова известного русского поэта Максимилиана Волошина (1877–1932):
Мы, возводя соборы космогоний,
Не внешний в них отображаем мир,
А только грани нашего незнанья.
Тем не менее принято считать, что основные естественно-научные положения современной космологии – науки о строении и эволюции Вселенной – начали формироваться после представления в 1917 г. Альбертом Эйнштейном (1879–1955) первой релятивистской модели, основанной на теории гравитации и претендовавшей на описание всей Вселенной. Эта модель характеризовала стационарное состояние Вселенной и, как показали астрофизические наблюдения, оказалась неверной, с чем позднее согласился и сам автор модели.
Важный шаг в развитии космологии, как науки, сделал в 1922 г. профессор Петроградского университета Александр Фридман (1888–1925). В результате решения космологических уравнений он пришёл к выводу: Вселенная не может находиться в стационарном состоянии – она должна расширяться либо сужаться.
В 1924 г. в обсерватории Маунт Вилсон в Калифорнии американский астроном Э. Хаббл (1889–1953) измерил расстояние до ближайших галактик, в то время называемых туманностями, а спустя пять лет в той же обсерватории по обнаруженному красному смещению линий в спектре излучения галактик он экспериментально подтвердил теоретический вывод о расширении Вселенной и сформировал эмпирический закон, который сейчас носит его имя – закон Хаббла: скорость удаления галактики прямо пропорциональна расстоянию до неё.
С течением времени разбегание галактик замедляется. Но такое уменьшение за наблюдаемый промежуток времени ничтожно мало. Из результатов наблюдения следует, что скорость разбегания галактик увеличивается примерно на 72 км/с на каждый миллион парсек (1 парсек равен 3,3 светового года; световой год – это расстояние, проходимое светом в вакууме за 1 земной год). При такой скорости экстраполяция к прошлому времени позволяет сделать вывод: возраст Вселенной составляет около 14 млрд лет, а это означает, что 14 млрд лет назад всё вещество Вселенной было сосредоточено в очень маленькой объёме. Предполагается, что в то время Вселенная представляла собой огромную ядерную каплю, которая по каким-то причинам оказалась в неустойчивом состоянии и взорвалась. Это предположение лежит в основе концепции большого взрыва.
Произведением времени жизни Вселенной на скорость света определяется радиус космологического горизонта – граница познания Вселенной посредством астрономических наблюдений. Информация об объектах за космологическим горизонтом до нас ещё не дошла – мы не можем заглянуть за космологический горизонт. Несложный расчёт показывает, что радиус космологического горизонта равен приблизительно 1026 м. Очевидно, что этот радиус ежесекундно увеличивается примерно на 300 тыс. км. Но такое увеличение ничтожно мало по сравнению с величиной радиуса космологического горизонта. Для наблюдения заметного расширения космологического горизонта нужно подождать миллиарды лет.
В концепции большого взрыва предполагается, что расширение Вселенной происходило с одинаковой скоростью, начиная с момента взрыва ядерной капли. В настоящее время обсуждается и другая гипотеза – гипотеза пульсирующей Вселенной: Вселенная не всегда расширялась, а пульсирует между конечными пределами плотности. Из этой гипотезы следует, что в некотором далёком прошлом скорость удаления галактик была меньше, чем сейчас, и были периоды времени, когда Вселенная сжималась, и, следовательно, галактики приближались друг к другу и с тем большей скоростью, чем большее расстояние их разделяло.
По мере развития естествознания и особенно ядерной физики выдвигались различные гипотезы о физических процессах на разных этапах космологического расширения. Одна из них предложена в конце 40-х годов прошлого века Георгием Гамовым (1904–1968), физиком-теоретиком, эмигрировавшим в 1933 г. из Советского Союза в США. Она называется моделью горячей Вселенной. В ней рассмотрены ядерные процессы, протекавшие в начальный момент расширения Вселенной в очень плотном веществе с относительно высокой температурой. По мере расширения Вселенной плотное вещество охлаждалось.
Из этой модели следует два вывода:
С развитием астрономических средств наблюдения и, в частности, с рождением радиоастрономии, появились новые возможности познания Вселенной. В 1965 г. американские астрофизики Арно Пензиас (р. 1933) и Роберт Вильсон (р. 1936) экспериментально обнаружили реликтовое излучение, за что были удостоены в 1978 г. Нобелевской премии. Реликтовое излучение – это фоновое изотропное космическое излучение со спектром, близким к спектру излучения абсолютно чёрного тела с температурой около 3 К. Оно наблюдается на волнах длиной от нескольких миллиметров до десятков сантиметров.
В 2000 г. сообщалось: сделан важный шаг на пути познания самого раннего этапа эволюции Вселенной. В лаборатории Центра европейских ядерных исследований в Женеве получено новое состояние материи – кварк-глюонная плазма. Предполагается, что в таком состоянии Вселенная находилась в первые 10 мкс после большого взрыва. До сих пор удавалось охарактеризовать эволюцию материи на стадии не ранее трёх минут после взрыва, когда уже сформировались ядра атомов.
Библиографические ссылки
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов, 12-е изд. М.: Директ-Медиа, 2014.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Практикум, 6-е изд. М.: Директ-Медиа, 2016.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник в 2-х кн. М.: Директ-Медиа, 2017.
Карпенков С.Х. Экология. Практикум. М.: Директ-Медиа, 2014.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник для бакалавров. М.: Логос, 2014.
Карпенков С.Х. Технические средства информационных технологий. 3-е изд. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Справочник. М.: Высшая школа, 2004.
Карпенков С.Х. Незабытое прошлое. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Воробьёвы кручи. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков Степан Харланович
