Проблема эволюции Вселенной

Проблема эволюции Вселенной

ПРОБЛЕМА ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ.

Проблема эволюции Вселенной является центральной в естествознании. Она привлекает к себе исследователей различных специальностей и биологов особенно. Это естественно, поскольку самое главное звено в эволюции Вселенной - жизнь, разум. Какова их судьба в дальнейшем, в ходе эволюции Вселенной - или полное исчезновение, когда вся субстанция Вселенной через 1032 лет распадется до фотонов и нейтрино, или циклы развития Вселенной будут периодически повторяться. Осмысливание процессов, происходящих во Вселенной должно проводиться с различных позиций. При этом не должно быть стереотипов, давления авторитетов, традиций.

Общепризнанным является тот факт, что Вселенная около 13 млрд. лет тому назад находилась в состоянии сингулярности, состоянии бесконечно большой плотности - 1093 г/см3. Затем в результате Большого Взрыва она начала расширяться, и это расширение длится и в настоящее время.
    О расширяющейся Вселенной (а ее структурными единицами являются галактики) свидетельствует красное смещение длин волн света, испускаемых галактиками в связи с их удалением от наблюдателя, согласно эффекта Доплера. Это открытие В.М. Слайфера и Э.П. Хаббла (американских астрономов) не потеряло в cвое значение и в наше время.

В.М. Слайфер и Э.П. Хаббл исследовали скорости движения галактик. Они показали, что ближайшие к нам галактики удаляются от нас со скоростями от нескольких сотен до тысяч км/с. Скорости галактик возрастают с увеличением расстояний до них.

Это доказывает тот факт, что удаляющиеся галактики движутся по расширяющейся спирали (в искривлении их траекторий повинны силы тяготения) и наблюдается эффект, напоминающий вращательное движение тела - угловые скорости материальных точек (галактик) на различном удалении от оси вращения (в данном случае от наблюдателя) равны, а линейные возрастают пропорционально увеличению расстояния от наблюдателя.

В связи с открытием расширяющейся Вселенной перед космологами стал вопрос, как долго может длиться этот процесс. Согласно релятивистской теории тяготения А. Эйнштейна и учения А. Фридмана (советского ученого) о нестационарности Вселенной, разбегающиеся галактики тормозятся силами гравитации. Было рассчитано с использованием уравнения Э. Хаббла, что если плотность вещества во вселенной равна 10-29 г/см3 (так называемая критическая плотность), то сил гравитации во Вселенной достаточно, чтобы ее расширение было заторможено, и согласно теории А. Фридмана сменилось на обратный процесс - концентрацию галактик под влиянием сил тяготения.

Однако астрофизические расчеты показали, что плотность вещества во Вселенной ниже критической и составляет расч. 3,0 . 10-31 г/см3. Если это так, то Вселенная обречена на бесконечное расширение.

В настоящее время высказываются мнения, что учтена не вся масса во Вселенной, и что имеется еще так называемая "скрытая масса". Предположительно это может быть реликтовое нейтринное излучение. Однако последние работы в этой области не подтверждают эту гипотезу.

При изучении данной проблемы обращает на себя внимание тот факт, что при разработке вопросов Механики Вселенной космологи прошлого и настоящего рассматривают астрофизические объекты только как источники гравитации, не учитываются процессы, происходящие в этих объектах, энергию их излучения. А она-то и составляет скрытую массу во Вселенной, поскольку энергия эквивалентна массе: .

Подсчитано, что 90-95 % массы галактик сосредоточено в звездах. Рассчитано, что полная энергия излучения Солнца ЕО равна 3,826 . 1026 Дж/с. Наша Галактика Млечный Путь обладает излучением 1010 ЕО, т.е. 3,826 . 1036 Дж/с.

Если бы галактика была неподвижна во Вселенной, то излучаемая ею энергия оказывала бы на нее со всех сторон одинаковое воздействие. Но поскольку галактики во Вселенной движутся по инерции после Большого Взрыва, то воздействие излучения, по нашему мнению, на разные стороны "шара" будет разным, согласно эффекта Доплера. Против направления движения оно будет большим, поскольку происходит смещение спектра излучения в фиолетовую область. Перемещающиеся в пространстве Вселенной галактики - это самотормозящиеся ракеты.

Ближайшей от нашей галактики Млечный Путь считается галактика Туманность Андромеды. О расстоянии до этой галактики и ее лучевой скорости, а также знаке этой скорости в литературе имеются противоречивые данные, что, как выяснилось в последнее время, связано с особенностью движения Солнца в нашей Галактике.

Можно использовать Туманность Андромеды как гипотетическую модель ближайшей гигантской галактики для иллюстрации нашей идеи нового подхода к динамике процессов в Механике Вселенной, поскольку силы реактивного торможения не носят всеобщего характера, они строго индивидуальны для каждой галактики.

По последним данным, расстояние до Туманности Андромеды от нашей Галактики равно 0,67 Мпк или 2,1 . 1022 м. Ее масса равна 3,0 . 1011 МО или 6,0 . 1041 кг, энергия излучения Е 6,0 . 1010 ЕО или 2,14 . 1037 Дж/с.

Поскольку по вопросу лучевой скорости Туманности Андромеды мнения еще не определились, для нашей гипотетической модели при ее вычислениях мы используем уравнение Э. Хаббла: V = HR, где Н - постоянная Хаббла, равная по усредненным данным 75 км/с. Мпк, R - расстояние до изучаемого объекта - 0,67 Мпк. Подставляем эти значения в уравнение и получаем: V = 75 . 0,67 = 50,25 (км/с). Это скорость удаления Туманности Андромеды от нашей Галактики.

В последующих расчетах мы попытаемся определить отрезок времени, необходимый для торможения галактик за счет реактивной энергии излучения, после которого начнется их сближение. Для этих целей использовали уравнения классической физики, которые, по мнению А. Эйнштейна, используются при скоростях движения много меньших скорости света.
    Рассчитаем энергию, расходуемую на самоторможение галактики Туманность Андромеды. Для этой цели мы предлагаем использовать уравнения, приведенные Дж. Ориром для иллюстрации эффекта Доплера:

fA = fB  (источник удаляется)

fA = fB  (источник приближается)

В этих уравнениях fA - число импульсов в секунду, регистрируемых детектором;

fB - число импульсов в секунду, испускаемых объектом;

V - скорость объекта, с - скорость света.

В данные уравнения вместо числа импульсов подставляем энергию излучения Туманности Андромеды, деленную на 4, поскольку излучение, нормальное к плоскости галактики по ходу и против ее движения составляет 25 % от энергии полного излучения.

Определяем величину мощности энергии излучения галактики Туманность Андромеды, которая расходуется на ее торможение в пространстве против хода ее движения (при скорости 50,25 км/с).

Объект удаляется

Е1 = . 1037  = 0,53491 . 1037 (Дж/с)

Объект приближается

Е2 = . 1037  = 0,53508 . 1037 (Дж/с)

Е1 = Е2 - Е1 = 0,53508 . 1037 - 0,53491 . 1037 = 0,00017 . 1037 = 1,7 . 1033 (Дж/с).

Данная величина мощности энергии излучения Е1 ежесекундно расходуется на торможение галактики Туманность Андромеды.
    Очевидно, чтобы галактики Млечный Путь и Туманность Андромеды начали сближаться, необходимо снижение скорости удаления галактики Туманность Андромеды несколько ниже 2-й космической скорости по отношению к галактике Млечный Путь. Рассчитаем эту скорость:

V = =  = 42,48 (км/с),

где G - гравитационная постоянная;

М - масса галактики Млечный Путь;

R - расстояние между галактиками.

Таким образом, настоящая скорость движения галактики Туманность Андромеды выше ее 2-й космической скорости на 7,77 км/с.
    Определим теперь величину мощности энергии излучения галактики Туманность Андромеды, которая будет расходоваться на торможение в пространстве против хода ее движения при скорости 42,48 км/с.

Е3 =   = 0,53492 . 1037 (Дж/с)

Е4 =   = 0,53507 . 1037 (Дж/с)

Е2 = Е4 - Е3 = 0,53507 . 1037 - 0,53492 . 1037 = 0,00015 . 1037 = 1,5 . 1033 (Дж/с).

Рассчитаем, какова будет в среднем мощность энергии излучения галактики Туманность Андромеды, расходуемая на ее торможение от 52,25 км/с до 42,48 км/с.

Еср =  =  = 1,6 . 1033 (Дж/с).

Рассчитаем кинетическую энергию галактики Туманность Андромеды при скоростях 52,25 и 42,48 км/с.

W1 =  =  = 7,57 . 1050 Дж

W2 =  = = 5,41 . 1050 Дж

W = W1 - W2 = (7,57 - 5,41) . 1050 = 2,16 . 1050 (Дж)

Таким образом, кинетическая энергия Туманности Андромеды при снижении скорости с 50,25 до 42,48 км/с уменьшается на 2,16 . 1050 Дж.
    Теперь, зная затраты энергии на торможение галактики Туманности Андромеды от 50,25 до 42,48 км/с и располагая средней мощностью реактивной энергии торможения Еср/c, мы можем рассчитать величину отрезка времени, необходимого для снижения скорости галактики до 2-й космической скорости.

t =  =  = 1,35 . 1017 (с) = 4,3 . 109 (лет)

Следует также принять во внимание, что разбегание галактик сдерживают также силы тяготения, хотя их и недостаточно. Определим вклад сил тяготения в торможение галактики Туманность Андромеды. Для этого определим среднюю величину ускорения, создаваемого энергией реактивного торможения (а1):

а1 =  =  = - 5,75 . 10-17 (км/с2)

Сделаем допущение, что в пространстве существуют только две галактики - наша и Туманность Андромеды. Определим ускорение замедления движения галактики Туманность Андромеды, создаваемое силами тяготения галактики Млечный Путь (а2) в настоящее время:

а2 = -  = -  = - 4,23 . 10-17 (км/с2)

Однако реальное ускорение в 33 раза меньше этой величины (сказывается взаимовлияние сил тяготения других галактик Вселенной), т.е. во столько же раз, как и соотношение плотности материи Вселенной согласно уравнениям Э. Хаббла.

Таким образом, вклад сил тяготения в торможение галактик невелик, и основную роль в этом отношении выполняют силы реактивного торможения за счет внутренней энергии галактик.

При сближении галактик силы реактивного излучения будут выполнять тормозную функцию. Таким образом, подтверждается теория А. Эйнштейна, что наряду с силами Всемирного тяготения существуют силы космического отталкивания между телами. Как показали наши расчеты, такая сила отталкивания создается за счет энергии излучения звездных систем.

Таким образом, расчеты показывают, что расширение Вселенной не бесконечно. В результате реактивного самоторможения галактик за счет их внутренней энергии происходит замедление их скоростей движения в пространстве Вселенной после Большого Взрыва. И через расчетное время они начнут сближаться.

Поскольку звездные системы в большом масштабе рассеяны равномерно, то и сближение их будет происходить синхронно. Предполагаем, что это будет осуществляться в соответствии с рассмотренной моделью на примере галактик Млечный Путь и Туманность Андромеды.

Все это означает, что Вселенная претерпевает определенные этапы в своем развитии, и что нынешнее ее состояние не бесконечно.

С момента Большого Взрыва прошло 13 млрд. лет. Солнце, Земля и др. планеты Солнечной системы образовались примерно 5 млрд. лет назад. Первые признаки жизни на Земле датируются возрастом 4 млрд. лет, а возникновение человека пятьюстами тысячелетий. История Земной цивилизации насчитывает 5-10 тысячелетий.

Таким образом, с момента Большого Взрыва во Вселенной до возникновения разума на Земле прошло примерно 12,5 млрд. лет. Если предположить, а это, по-видимому, верно с большой степенью вероятности, что все процессы во Вселенной идут синхронно, что жизнь и разум во Вселенной широко распространены, и что особенно важно подчеркнуть, они находятся на такой же стадии и уровне развития, как и на Земле. С этих позиций можно разрешить загадку парадокса Ферми и его уравнения, в котором иллюстрируется вероятность встречи землян с разумными существами Вселенной. Ферми предложил уравнение экспоненциального роста технологической цивилизации за время существования Вселенной:

К = exp (T/t) = 1043000000,

где Т = 1010 лет (время возникновения нынешнего состояния Вселенной);

t = 100 лет (время экспоненциального развития современного уровня цивилизации).

Согласно этому уравнению нашу планету должны были бы посещать разумные обитатели других миров бесконечное число раз. Сразу же заметим, что это было бы справедливо, если бы жизнь, разум в различных частях Вселенной возникали в различное время. Если принять во внимание наше предложение, что все процессы во Вселенной происходят синхронно, то тогда напрашивается вывод, что наши собратья по разуму в других мирах находятся на такой же стадии и уровне развития, как и мы.

Человек еще только через 10-15 лет достигнет Марса, и чтобы выйти за пределы Солнечной системы и осваивать нашу галактику человечеству понадобятся еще тысячелетия.

Возникновение и развитие объектов нашей Вселенной связано с ее эволюцией как целого. Когда это было осознано, познание Вселенной пошло в двух направлениях: а) обобщение уже разработанных теорий на все более и более глубокие уровни ее организации; б) их космологического применения.

Но отдельные объекты обнаруживают самоорганизующие свойства, которые в первом приближении могут служить моделью самоорганизационных процессов и во Вселенной в целом. Изучение процессов самоорганизации в неорганической природе показало, что для возникновения организованной системы из низкоорганизованной требуется привести последнюю в сильно возбужденное состояние, весьма далекое от равновесия, после чего некоторые флуктуации, существующие в системе, резко усиливаются и система переходит в новое, организованное состояние. Возникновение процессов самоорганизации связано с особенностями поведения флуктуаций. Объясняется это тем, что в самоорганизующейся системе обязательно возникают те или иные неустойчивости, в результате которых происходит усиление некоторых возмущений, в том числе и внутренних флуктуаций. Эта схема процессов самоорганизации отдельных систем применима и к процессам самоорганизации на ранних стадиях эволюции Вселенной.

Для возникновения процесса самоорганизации необходимы некоторые условия, одним из которых является нестабильность системы, наличие в ней флуктуаций. Стабильная система не допускает (в определенных пределах) своей дестабилизации, несмотря на внешние воздействия; но как вызвать дестабилизацию системы? Может ли система сама по себе прийти в сильно неравновесное состояние? Опыт (в соответствии с законом возрастания энтропии) показывает, что для вывода из равновесия необходимы внешние воздействия. Поэтому если акт самоорганизации есть внутренний процесс, то для его подготовки необходимы внешние дестабилизирующие факторы, переводящие систему в сильно возбужденное состояние. Значит процесс самоорганизации в целом (дестабилизация + скачок к организации), рассматриваемый относительно какого-либо фрагмента Вселенной, включает в себя единство внешнего и внутреннего.

Но если рассмотреть такую систему, как природа в целом (множество миров), для которой нет ничего внешнего, то возможно ли в данном случае говорить о процессе ее самоорганизации. На наш взгляд о самоорганизации природы в целом можно говорить лишь в смысле наличия самоорганизации в ее отдельных подсистемах, находящихся во взаимодействии с другими ее подсистемами. Дестабилизация в системах может происходить как за счет внутренних противоречий в них, так и за счет внешних противоречий системы с другими системами, вступающими с ней в контакт. Поэтому ответ на вопрос об источниках самоорганизации будет таков: если система целостна (замкнута), то самоорганизация в ней может возникнуть только за счет внутренних противоречий, если же она открыта, то, кроме того, вносят свой вклад и внешние противоречия. Наша Вселенная может быть одним из элементов множества миров, потому, говоря о ее рождении в процессе самоорганизации, следует иметь в виду возможные внешние дестабилизирующие факторы.

1. Процессы самоорганизации в ранней Вселенной

Современные представления об эволюции Вселенной основываются на стандартной космологической модели Большого взрыва, которая подтверждается наблюдаемым в настоящую эпоху расширением нашей Вселенной, открытием реликтового микроволнового излучения и т.д. Согласно этой модели, вначале существовала некая Lпервоматерия¦ с исключительно высокой степенью симметрии, эволюция которой привела к Большому взрыву. Где-то около планковского времени образовались сначала суперструнный вакуум, а затем суперструны.

Новый этап эволюции Вселенной связан с возникновением элементарных частиц, как колебательных мод суперструн, которые вышли на сцену с уменьшением планковской температуры. Энергия, заключенная в суперструнном вакууме, трасформировалась в энергию натяжения струн и далее в энергию возникающих частиц.

Вначале вещество Вселенной должно было находиться в тепловом равновесии с высокоэнергетическими фотонами. Через 109 с после рождения Вселенной (можно считать, после Большого взрыва), когда характерная температура понизилась до 103 К, вещество и излучение разделились (в это время возникло космическое фоновое излучение) и в дальнейшем их охлаждение происходило независимо.

Последующая эволюция Вселенной представляется следующим образом. К 1010 с образовались Солнце и звезды. Около 1017 с возникла жизнь, которая будет продолжаться в известных формах до 1022 с, затем Солнце потухнет и цивилизация на Земле погибнет. В настоящее время Вселенная состоит из звезд, объединенных в галактики, и других объектов (квазаров, нейтронных звезд, черных дыр и т.д.). Она расширяется так, как будто части ее продолжают разлетаться после Большого взрыва. Будет ли это расширение продолжаться вечно или же оно сменится сжатием, которое приведет Вселенную к ее первоначальному состоянию, зависит от плотности вещества в ней: если она превышает критическую (10-29 г/см3), то Вселенная должна коллапсировать (закрытая модель Вселенной), если же она меньше критической, то расширение будет продолжаться (открытая модель Вселенной). По мере расширения все вещество во Вселенной будет распадаться (распад протона, предсказываемый теорией Великого объединения, происходит через 1038 с (после Большого взрыва), в конце концов останутся лишь стабильные частицы (некоторые лептоны и фотоны).

Описанная модель позволяет выделить ряд процессов самоорганизации и деградации:

1. Исходный вакуум.

2. Возникновение суперструн.

3. Рождение частиц.

4. Разделение вещества и излучения.

5. Рождение Солнца, звезд, галактик.

6. Возникновение цивилизации.

7. Гибель Солнца.

8. Гибель Вселенной.

Согласно стандартной модели, исходным состоянием Вселенной было квантовое вакуумное состояние. Это важное основоположение космологии, свидетельствует о качественной неуничтожимости материи и движения. Образованию суперструн предшествовало возникновение стабильной метрики пространства-времени суперструнного вакуума. Важнейшим этапом самоорганизации Вселенной являлось рождение частиц, а затем нарушение суперсимметрии, после чего стала возможной идентификация фермионов и бозонов и, тем самым, разделение вещества и сил. Отделение изучения от вещества позволило ему стать связующим звеном меду вещественными объектами. С возникновением Солнца, звезд и галактик появились базовые объекты для отсчета движений макротел.

Стандартная космологическая модель охватывает основные этапы в эволюции Вселенной, однако она не отвечает на вопрос о причине Большого взрыва (космического отталкивания). В настоящее время предложена новая, инфляционная модель начального этапа (10-42 -- 10-32 с от рождения Вселенной) эволюции Вселенной, согласно которой в указанном интервале времени Вселенная находилась в неустойчивом состоянии, называемом ложным вакуумом, имела нулевую энергию и обладала аномально большой (для истинного вакуума) плотностью (1077 г/см3). Существенным свойством ложного вакуума является наличие в нем отрицательного давления, создающего силу отталкивания, которая ведет к экспоненциальному расширению Вселенной (ее диаметр увеличился в 1050 раз), сопровождающемуся колоссальным возрастанием (до 1068 Дж) энергии и переходом в состояние истинного вакуума. Распад ложного вакуума привел к тому, что после периода колоссального расширения сформировалась наконец фаза с нарушенной симметрией. Это привело к выделению плотности энергии ложного вакуума и как следствие к рождению огромного количества частиц. Область подверглась повторному разогреву до температуры около 1027 К. Начиная с этого момента область, остывает и расширяется в соответствии со стандартной моделью Большого Взрыва. Спонтанное возникновение энергии в результате физических процессов еще недавно считалось неприемлемым, не говоря уже о том, что традиционное мышление привыкло к тому, что из ничего ничего не возникает.

А. Гус и П. Стейнхардт видят достоинство этой модели в том, что в ней начальные условия эволюции Вселенной имеют скорее философский, чем физический характер, ибо «очень сложно выявить какие-либо наблюдательные результаты влияния условий, предшествующих фазе раздувания». Фактически при любых начальных условиях Вселенная эволюционирует как раз в то состояние, которое описывается затем стандартной моделью. Это позволяет предположить, что Вселенная возникла из ничего.

В настоящее время нет достаточных оснований полагать, что вся Вселенная в целом родилась примерно 1010 лет назад в сингулярном состоянии, до которого классического пространства-времени не было вообще. Инфляция могла начинаться и кончаться в разное время в различных областях Вселенной. Сейчас в рамках квантовой космологии обсуждается вопрос о возможности существования множества миров с характерными для каждого мира фундаментальными физическими параметрами. В пользу такой гипотезы существует ряд аргументов (наличие космологических квазисингулярностей со сверхплотным состоянием материи, выводы инфляционной модели эволюции Вселенной, интерпретация квантовой механики в духе Эверетта-Де Витта и т.д.). Этот ансамбль миров, допустимых физическими законами, может возникать из единого мирового вакуума без затраты энергии, так как полная энергия Вселенной (и, видимо, любого другого мира) равна нулю (масса вещества внутри Вселенной полностью уравновешивается отрицательной энергией связи этой массы). Поэтому число возможных миров определяется не энергией вакуума, а соответствующим набором физических параметров, дающим возможность возникшим мирам право на длительное самостоятельное существование.

Другое возможное уточнение стандартной космологической модели эволюции Вселенной связано с теорией супергравитации, в частности, с обобщением модели Калуцы-Клейна, согласно которой на ранних стадиях эволюции Вселенной пространство-время имело 11 равноправных измерений. Компактификацию семи измерений можно связать с инфляцией и считать движущую силу инфляции побочным продуктом взаимодействий, проявляющихся через дополнительные измерения пространства. Значит многомерное пространство-время было характерно для вакуума на инфляционной стадии его развития. На доинфляционных стадиях пространственно-временные характеристики вакуума не будут концептуальными, т.е. можно говорить о метрической самоорганизации вакуума.

С точки зрения суперструнной теории, сразу после Большого взрыва все 10 измерений пространства-времени должны быть свернуты. При последующем расширении Вселенной 4 измерения увеличились, 6 измерений пространства остались компактифицированными. Следует отметить, что замкнутость мира по всем измерениям является нормальным свойством мира, а размыкание по четырем классическим размерностям является примечательной их особенностью.

Страницы: 1, 2