Модель большого взрыва и расширяющейся вселенной

Пространство этой модели трехмерно, четвертое измерение, время, имеет конечную протяженность. В этой модели пространство искривляется, замыкаясь, само на себя, как поверхность Земли. Поэтому размеры его конечны. Во второй же модели, в которой Вселенная расширяется бесконечно, пространство искривлено как поверхность седла. Таким образом, во втором случае пространство бесконечно. Наконец, в третьей модели Фридмана (с критической скоростью расширения) пространство плоское (и, следовательно, тоже бесконечное). Для окончательного выбора реалистичной модели развития Вселенной нужно знать нынешнюю скорость ее расширения и ее среднюю плотность. Если плотность меньше некоторого критического значения, зависящего от скорости расширения, то гравитационное притяжение будет слишком мало, чтобы остановить расширение. Если же плотность больше критической, то в какой-то момент в будущем из-за гравитации расширение Вселенной прекратится, и начнется сжатие.

Сегодняшнюю скорость расширения Вселенной можно определить, измеряя (по эффекту Доплера) скорости удаления от нас других галактик. В то же время чрезвычайно затруднительно измерить расстояние до галактик и среднюю плотность материи. Известно лишь, что Вселенная расширяется за каждую тысячу миллионов лет на 5−10%. Если сложить массы всех наблюдаемых звезд в нашей и других галактиках, то даже при самой низкой оценке скорости расширения сумма окажется меньше одной сотой той плотности, которая необходима для того, чтобы расширение Вселенной прекратилось. Однако, астрофизики убеждены в существовании темной материи, которую нельзя видеть непосредственно, но можно сделать вывод е ее наличии по влиянию на орбиты звезд в галактиках и движение самих галактик. Нельзя исключить возможность существования и какой-то другой формы материи, распределенной равномерно по всей Вселенной и еще не зарегистрированной, которая могла бы довести среднюю плотность Вселенной до критического значения, необходимого, чтобы остановить расширение. Таким образом, имеющиеся данные говорят о том, что Вселенная, вероятно, будет расширяться вечно.

Все варианты модели Фридмана имеют то общее, что в какой-то момент времени в прошлом (десять-двадцать тысяч миллионов лет назад) расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю. Как уже говорилось выше, в этот момент (момент Большого Взрыва) плотность Вселенной и кривизна пространства-времени должны были быть бесконечными. Все научные теории основаны на предположении, что пространство-время гладкое и почти плоское, а потому все они неверны в сингулярной точке большого взрыва, в которой кривизна пространства-времени бесконечна. События, происходившие до Большого Взрыва, никак не могли влиять на будущее после него, и наоборот: зная события после Большого взрыва, нельзя сказать, что было до него.

В 1963 г. два советских физика, Е. М. Лифшиц и И. М.

Халатников, сделали еще одну попытку исключить большой взрыв, а с ним и начало времени. Лифшиц и Халатников высказали предположение, что большой взрыв и точка сингулярности — особенность лишь фридмановских приближенных моделей. По Фридману, все галактики удаляются в прямом направлении друг от друга, и поэтому все они находились в одном месте. Однако в реально существующей Вселенной у галактик есть еще и небольшие составляющие скорости, направленные под углом. Поэтому, а самом деле галактикам не нужно находиться точно в одном местедостаточно, чтобы они были расположены очень близко друг к другу. Тогда нынешняя расширяющаяся Вселенная могла возникнуть не в сингулярной точке большого взрыва, а на какой-нибудь более ранней фазе сжатия; может быть, при сжатии Вселенной столкнулись друг с другом не все частицы. Какая-то доля их могла пролететь мимо друг друга и снова разойтись в разные стороны, в результате чего и происходит наблюдаемое сейчас расширение Вселенной. Как тогда определить, являлся ли большой взрыв началом Вселенной?

Лифшиц и Халатник в занялись изучением моделей, которые в общих чертах были бы похожи на модели Фридмана, но отличались от фридмановских тем, что в них учитывались нерегулярности и случайный характер реальных скоростей галактик во Вселенной. В результате Лифшиц и Халатников показали, что в таких моделях большой взрыв мог быть началом Вселенной даже в том случае, если галактики не всегда разбегаются по прямой, но это могло выполняться лишь для очень ограниченного круга моделей, в которых движение галактик происходит определенным образом. Поскольку же моделей фридмановского типа, не содержащих большой взрыв, бесконечно больше, чем тех, которые содержат такую сингулярность, Лифшиц и Халатников утверждали, что на самом деле большого взрыва не было. Однако позднее они нашли гораздо более общий класс моделей фридмановского типа, которые содержат сингулярности и в которых вовсе не требуется, чтобы галактики двигались каким-то особым образом. Поэтому в 1970 г.

Лифшиц и Халатников отказались от своей теории [1].

Тем не менее их работа имела очень важное значение, ибо показала, что если верна общая теория относительности, то Вселенная могла иметь особую точку, большой взрыв. В 1965 г. английский математик и физик Роджер Пенроуз показал, что когда звезда сжимается под действием собственных сил гравитации, она ограничивается областью, поверхность и объем которой в конце концов сжимаются до нуля. Следовательно, ее плотность и кривизна пространства-времени станут бесконечными, и возникнет сингулярность в некоей области пространства-времени, называемая черной дырой.

По теореме Пенроуза конечным состоянием любой коллапсируюшей звезды должна быть сингулярность. При обращении времени эта теорема утверждает, что в любой модели фридмановского типа начальным состоянием расширяющейся Вселенной тоже должна быть сингулярность. По соображениям технического характера в теорему Пенроуза было введено в качестве условия требование, чтобы Вселенная была бесконечна в пространстве. Поэтому на основании этой теоремы можно доказать, что сингулярность должна существовать, если расширение Вселенной происходит достаточно быстро, чтобы не началось повторное сжатие (поскольку только такие фридмановские модели бесконечны в пространстве). В 1970 г. Р. Пенроуз и Т. Воронин опубликовали совместную статью, в которой, исходя только из истинности общей теории относительности и существования во Вселенной только видимого вещества, было доказано, что сингулярная точка Большого Взрыва должна существовать [3]. Несмотря на неприятие данной теории многими учеными, правильное использование математического аппарата и согласие с фактами, известными из астрофизики, сейчас почти все считают, что Вселенная возникла в сингулярной точке Большого Взрыва.

Заключение

Второе начало термодинамики предсказывает конец эволюции Вселенной в момент, когда выравняется температура ее вещества. Эта мысль о «тепловой смерти» Вселенной была высказана еще в 1854 г. Германом Гельмгольцем. Определенно неизвестно, каков должен быть исход противоборства расширения Вселенной и гравитационного притяжения ее вещества. Если сила тяготения будет больше, Вселенная сколлапсирует в процессе Большого сжатия, которое может оказаться либо концом ее существования, либо прелюдией к новому циклу расширения. Если же силы тяготения проиграют сражение, то расширение будет продолжаться неограниченно долго, но тем не менее гравитация сыграет определяющую роль в судьбе вещества Вселенной: станет ли оно безбрежным морем однородного излучения или же рассеется множеством темных холодных масс. В неясном далеком будущем прошедшая эпоха звездной активности может показаться лишь кратчайшим мгновением в бесконечной жизни Вселенной. Поэтому хочется верить в возрождение таких обыденных вещей, как вещество и излучение, а не в пространство безграничного равновесия. С другой стороны, знаний имеющихся в распоряжении человечества, недостаточно для окончательного рассмотрения эволюции Вселенной, что требует продолжения серьезных исследований в этой области.

Список используемой литературы

Хокинг С. Краткая история времени: от Большого взрыва до чёрных дыр. СПб.: Амфора, 2001.

Аристотель. Сочинения: В 4 т. М.: Мысль, 1975.

Хокинг С., Млодинов Л. Кратчайшая история времени. СПб: Амфора, 2006.

Алексеев П.В., Панин А. В. Философия: Учебник. М. 2003.

Иммануил Кант. Сочинения в шести томах. М., 1966.

И.Д. Новиков. Эволюция Вселенной. М. 1983 г.

Вайнберг С. Первые три минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной. Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000.

Шкловский И. С. Вселенная Жизнь Разум. М. Наука, 1976 г.

Фридман А. А. Избранные труды. М.: 1966.