Главным пунктом в этом споре является вопрос, имел ли процесс Большого взрыва вихревой, турбулентный, характер или протекал более гладко

Главным пунктом в этом споре является вопрос, имел ли процесс Большого взрыва вихревой, турбулентный, характер или протекал более гладко.

Турбулентности в крупномасштаб­ной структуре сегодняшней Вселенной отсутствуют. Вселен­ная выглядит удивительно сглаженной в крупных масштабах; несмотря на некоторые отклонения, в целом далекие галакти­ки и скопления распределены по всему небу в высшей степени равномерно, а степень изотропности фонового излучения также довольно высока (выше, чем 1:3000). Все эти факты, видимо, говорят о том, что Большой взрыв был безвихревым, упорядоченным процессом расширения. Но откуда же в таком случае возникли флуктуации плотности, ставшие позднее галактиками? Решение этого вопроса затрудняется тем, что мы не располагаем наблюдательными данными, относящими­ся к критическому моменту образования звёздных систем.

• 
  Эпоха излучения.
  

В эпоху излучения произошло событие исключи­тельной важности - в результате синтеза образо­валось первое ядро. Это как раз то событие, которое пытался объяснить Гамов; о нём речь шла раньше. Примерно через три минуты после начала отсчёта времени, при температуре около миллиарда градусов, Вселенная уже достаточно остыла для того, чтобы столкнувшиеся протон и нейтрон соединились, обра­зовав ядро дейтерия (более тяжелой разновидности водорода). При соударении двух ядер дейтерия об­разовывались ядра гелия. Так за очень короткое время, примерно за 200 мин, около 25 % вещества Вселенной превратилось в гелий. Помимо того, пре­вращение водорода в гелий происходит в недрах звёзд, но там образуется лишь около 1 % всей массы гелия. В эту эпоху возникли также другие элементы: немного трития и лития, но более тяжёлые ядра обра­зоваться не могли. Поскольку всё, о чем здесь шла речь, естественно, относится к области теории, чита­тель вправе усомниться: а так ли это в действительно­сти? Видимо, да, ведь теория прекрасно согласуется с наблюдениями, поэтому ей можно доверять. Напри­мер, согласно этой теории гелий должен составлять около 25 % вещества во Вселенной, что подтверждает­ся наблюдением.

• 
  Фоновое космическое излучение.
  

Наверное, это напоминало чудо, - густой туман внезапно рассеялся, и, Вселенная стала прозрачной, хотя и ярко красной, так как температура излучения была еще довольно высока (чуть ниже 3000 К). Но по­степенно она падала - сначала до 1000 К, затем до 100 К и, наконец, достигла нынешнего значения 3 К.

Существование такого фонового излучения пред­сказал в 1948 году Г. Гамов, но в своих рассуждениях он допустил массу ошибок, как численных, так и смысловых. Несколько лет спустя его студент испра­вил эти ошибки и рассчитал, что температура фо­нового излучения сейчас должна быть около 5 К. Считалось, однако, что это излучение обнаружить не удастся, в частности, из-за света звёзд. Вот почему прошло 17 лет, прежде чем фоновое излучение было зарегистрировано.

В начале 60-х годов компания «Белл телефон» по­строила в Холмделе, шт. Нью-Джерси, специальный радиотелескоп для приёма микроволнового излуче­ния. Он использовался для обеспечения связи со спутником «Телстар». Двое работавших на нем уче­ных, Арно Пензиас и Роберт Уилсон, решили также исследовать с его помощью микроволновое излучение нашей Галактики.

Однако до начала исследований им нужно было обнаружить и устранить все возможные помехи как от самого телескопа, так и от окружающих наземных источников. Ученые решили поработать на волне 7,35 см, но вскоре обнаружили, что на ней постоянно присутствует какой-то шум. Несмотря на все усилия, избавиться от него не удавалось, хотя вначале ис­следователям казалось, что это не составит труда. Шум так мешал работе, что Пензиас и Уилсон решили проверить, не является ли его источником само небо, Как ни странно, но оказалось, что это так. Куда бы ученые ни наводили телескоп, шум не исчезал.

Они и не подозревали о том, что рядом, в Принстонском университете, два физика, Роберт Дикке и Джим Пиблз, обсуждали возможность нали­чия во Вселенной излучения, дошедшего до нас с момента Большого взрыва. Пиблз рассчитал, что его температура должна быть около 5 К, и ученые обрати­лись к своим коллегам П. Роллу и Д. Уилкинсону с просьбой попробовать обнаружить это излучение. Как видно, никто из них не слышал о предсказании Гамова, сделанном много лет назад.

Пензиас узнал об идеях Дикке и позвонил ему, чтобы сообщить о регистрации «шума», — похоже, это как раз то, что он ищет. Дикке приехал в Холмдел, и вскоре стало ясно, что помехи действительно пред­ставляют собой искомое излучение. Учёные опубликовали полученные результаты, не упомянув ни Гамо­ва, ни его студента. Когда Гамов познакомился с этой публикацией, он направил Дикке весьма сердитое письмо. Позднее Пензиас и Уилсон были удостоены за свое открытие Нобелевской премии.

Естественно, требовались дополнительные доказа­тельства того, что зарегистрированный шум представ­лял собой фоновое космическое излучение, ведь Пен­зиас и Уилсон получили на кривой излучения лишь одну точку при длине волны 7,35 см. Любое нагретое тело излучает энергию, а кри­вая излучения (зависимость количества излучаемой энергии от длины волны) имеет строго определенный вид. Если какое-либо тело полностью поглощает па­дающую на него энергию излучения, то такая кривая носит название кривой излучения чёрного тела. При плавном переходе от больших длин волн к мень­шим кривая поднимается вверх, проходит через пик и затем резко опускается вниз. Согласно расчётам, кривая, соответствующая фоновому космическому излучению, должна была бы иметь ту же форму, что и для чёрного тела.

Пензиас и Уилсон получили первую точку на кри­вой, а вскоре Ролл и Уилкинсон поставили вторую. Узнав об этом, другие учёные стали проводить допол­нительные измерения на различных длинах волн. Бы­ла здесь, однако, одна трудность. Дело в том, что точ­ки ложились по одну сторону пика, а важно было получить их и по другую сторону, чтобы убедиться, что кривая идёт так, как нужно. Атмосфера не пропу­скает излучение таких длин волн, т. е. на Земле про­делать эти измерения невозможно. Каково же было потрясение учёных, когда точка, полученная установленной на ракете аппаратурой, оказалась гораздо вы­ше расчётной кривой. И каково же было их облегче­ние, когда выяснилось, что детектор случайно зареги­стрировал тепловое излучение двигателя ракеты. Последующие измерения подтвердили, что за пиком действительно идет спад, как и следует из теории. Та­ким образом, с определённой долей уверенности мож­но утверждать, что это излучение дошло до нас от вре­мен Большого взрыва.

В первом приближении получалось, что фоновое (или, как его ещё называют, реликтовое) излучение имеет одинаковые характеристики во всех направле­ниях, т. е. изотропно. Но не опровергнут ли этот ре­зультат более точные измерения? Поставим и такой вопрос: а что если излучение анизотропно (различно в разных направлениях)? Немного поразмыслив, мы поймём, что если температура реликтового излучения выше в каком-то одном направлении, то, значит, мы движемся в направлении роста температуры. Это как с туманом, - если он густеет, значит, мы движемся в ту сторону, где он плотнее, и наоборот, - если он ре­деет, мы движемся в противоположную сторону. Пер­вые измерения, выполненные в 1969 и 1971 годах, да­вали основания предполагать наличие анизотропии, поэтому две группы учёных, одна из Калифорнийско­го университета в Беркли, а другая из Принстона, ре­шили провести детальные измерения за пределами ат­мосферы.

Группа исследователей из Беркли выполнила пер­вые измерения в 1976 году при помощи самолета-шпиона У-2. И в самом деле, оказалось, что имеется небольшая анизотропия, по величине которой уда­лось установить, что мы движемся в направлении созвездия Льва со скоростью около 600 км/с. Позже выяснилось, что туда летит не только Солнечная сис­тема, но и вся наша Галактика, а также некоторые из соседних галактик.

• 
  Красное смещение и Теория Большого Взрыва.
  

За годы своего существования космология стала вполне зрелой опытной наукой, способной не просто теоретизировать, но и находить эмпирические обоснования своим математическим выводам и обобщениям. Следует отметить, однако, что космология является ареной острого соперничества теорий и моделей, исходящих из различных, нередко совершенно противоположных посылок.

Сложившееся здесь эмпирическая ситуация такова, что с ней так или иначе можно согласовать множество теоретических схем отличающихся (нередко значительно и существенно) друг от друга по своей концептуальной и методологической структуре, но претендующих на описание одного и того же объекта. Поэтому традиционные методы подтверждения теории в этой науке не всегда эффективны.

Гейзенберг считал, что понятие физического закона вообще неприменимо к Вселенной, а потому "космология не может ставить перед собой задачу изучать законы космоса в целом. Мы изучаем законы природы в конечных областях, допустимых нашему наблюдению или эксперименту".

Противоборство различных теоретических моделей Вселенной, сформулированных зачастую в пределах одной и той же исследовательской программы - только одна сторона критической познавательной ситуации, сложившейся в научной космологии к настоящему времени.

Другая сторона - конфронтация методологических установок, лежащих в самом философско-мировоззренческом основании соперничающих исследовательских программ. Явление взрывного расширения Вселенной, математически предсказанное А. Фридманом (1922 г.), астрономически обнаруженное Э. Хабблом в 1929 г. и физически осмысленное Леметром, приобрело статус обоснованного научного факта в релятивистской космологии.

В 1948 году Г. Бонди, Т.Гоулдом и Ф.Хойлом была выдвинута новая модель, известная как модель "постоянного состояния". Она описывала постоянно расширяющуюся Вселенную, не имеющую ни начала, ни конца.

Открытие А.Пензиасом и Р.Вильсоном в 1964 году микроволнового излучения было расценено как самое убедительное доказательство того, что Вселенная возникла в результате горячего Большого Взрыва.

Теория такого процесса способна найти правдоподобное объяснение микроволнового фона и позиции космологии Большого Взрыва будут существенно ослаблены, а теория постоянного состояния получит новое подтверждение. По мнению других ученых появление теории сингулярности - скорее отражение неполноты нашего понимания природы, чем описание физической реальности.

Таким образом, необходимо исходить из следующего гносеологического факта: известные законы физики, как и законы других естественных наук, сформулированы на базе обобщения тех результатов познания, которые получены в пределах крайне малой пространственной области и практически в одно мгновение истории космоса. В связи с этим возникают следующие вопросы:

• 
  Во-первых, возможно ли исходя из нашего, геоцентрического и ограниченного во времени познавательного опыта, полученного в ходе изучения локального поведения материи "здесь" и "теперь", адекватно судить о глобальном поведении Вселенной в целом или даже Метагалактики, отличающейся от привычного нам макромира чрезвычайно большими пространственно-временными масштабами и масс энергетическими характеристиками?
  
• 
  Во-вторых, насколько обоснована сама процедура познавательного скачка - логического перехода от знания об одной предметной области к знанию о другой, несравненно более широкой?
  

В каком состоянии находится реальная Вселенная - статичном или динамичном?

• 
  Имеет ли она конечную или бесконечную пространственную протяжённость?
  
• 
  Число её частиц конечно или бесконечно?
  
• 
  Её пространственная структура плоская или искривленная?
  
• 
  Конечна она во времени или бесконечна?
  
• 
  Однородна Вселенная или нет?
  

1. 
   Теория Большого Взрыва (ТБВ), как известно, построена на фридмановском решении некорректированных уравнений Эйнштейна. Последние используют четырехмерный пространственно-временной континуум (ПВК), являющийся атрибутом материи. Именно здесь и начинаются неприятности:
   
2. 
   Процесс Большого Взрыва описан с точностью до мельчайших долей секунды. Вопрос, какой секунды - земной, марсианской, галактической? Это ведь эталонируемая единица, каков же эталон? Тем более, что уравнения Эйнштейна подчёркивают зависимость длины и времени от величины гравитационного поля, которое в сингулярной правселенной, видимо, очень и очень велико! Не окажется ли тысячная после взрыва микросекунда много больше теперешнего миллиона лет? Что получится из уравнений Эйнштейна, если аргументы в них вдруг окажутся нелинейными функциями решений?
   
3. 
   Сингулярный первоисточник Большого Взрыва содержал в себе всю материю (включая вакуум Дирака) - следовательно, вне его не было ни пространства, ни времени. Вопрос: в чём расширялась Вселенная?
   
4. 
   Как только время стало одной из осей координат ПВК, понятия "процесс, развитие, динамика" стали бессмысленными. В ПВК сосуществуют все так называемые стадии и состояния, в нём нет "было", "есть", "будет". Все эти три слова означают только различные значения временной координаты. К тому же, не определен масштаб, а общепринятое упорядочение не обязательно единственное. Вопрос, о каком же расширении, собственно, идёт речь?
   
5. 
   Вся теория относительности основана на постоянстве скорости света (опыты Ремера, Майкельсона), измеренной в условиях Солнечной системы. Вопрос: такова ли она в центрах галактик или между ними, где гравитационное поле отличается от нашего на несколько порядков? Не слишком ли смелая экстраполяция? (Чёрные дыры, полученные тем же способом, что и ТБВ, останавливают свет!) А ведь постоянная Хаббла вычислена для нашей скорости света и нашей гравитации.
   
6. 
   Не будем касаться измерения расстояний до звёзд, тем более галактик, обратим внимание лишь на то, что свет удаленных источников тем более "древний", чем дальше мы забираемся своими инструментами. Вообще говоря, можно было бы ожидать, что при радиальном расширении из одной точки свойства пространства будут закономерно, но нелинейно меняться со временем. Забравшись вглубь истории Вселенной, мы могли бы ожидать неких различий. Мы их не видим - значит, либо их нет, либо мы неверно интерпретируем увиденное.
   

• 
  если мы хотим анализировать динамику Вселенной - делать это следует не в четырехмерном пространстве-времени Минковского, а в разделённых атрибутах материи - пространстве (трёхмерном) и независимом от него времени (возможно, тоже трёхмерном, ибо нет данных о неравноправии материальных атрибутов);
  
• 
  в четырёхмерном пространственно-временном континууме мы можем изучать всевременную и всепространственную статику Вселенной с позиции надвселенческого наблюдателя (возможно, пяти- или шестимерного субъекта).
  

• 
  во-первых, стремление удержаться на последнем рубеже антропоцентризма (если о. Пасхи не "пуп" Земли, Земля - не центр Вселенной, а всего лишь один из спутников заштатной звёздочки на задворках, то пусть хоть Взрыв будет общевселенским!);
  
• 
  во-вторых, страх перед бесконечностью, отсюда сотворение мира и т.п. вплоть до ТБВ.
  

• 
  Гипотеза старения света.
  

Приведём эту гипотезу в изложении Дэвида Джоунса по книге "Изобретения Дедала".

Иначе говоря, расчёты Дэвида Джоунса прекрасно объясняют красное смещение, тем более, что уменьшение скорости электромагнитных волн в межзвёздной среде не только экспериментально доказано, но и используется астрономами для определения расстояния до пульсаров.

Метод основан на дисперсии радиоволн в межзвёздной среде: кратковременный импульс электромагнитного излучения представляет собой широкий спектр волн, скорость которых в среде различна. Поэтому по мере распространения импульс "растягивается", более короткие волны уходят вперёд и по величине этого опережения можно оценить пройденное волнами расстояние. (Это хорошо знают радисты по распространению импульсов в кабелях).

• 
  «Меркаторская» гипотеза.
  

Экспериментально проверено искривление световых лучей, проходящих вблизи тяготеющей массы (Солнца). Так как Вселенная заполнена гравитационным полем, абсолютное значение напряжённости которого мы не можем измерить, ощущаем и измеряем его неоднородность), следует допустить, что метрика нашего пространства не евклидова, а, например, Лобачевского, и наше трёхмерное пространство искривлено.

Мы должны отдать себе отчёт в том, что эта бесконечно тонкая в радиальном направлении поверхность и есть наше трёхмерное пространство, а координата, в которой показан радиус кривизны - четвёртое измерение, но отнюдь не пространственная в нашем обыденном представлении.

Допустим также, что наша Вселенная - это бесконечный, но ограниченный домен Гипервселенной, который для наглядности (но и только) мы представим сферической поверхностью большого, но конечного радиуса. Все наблюдаемые нами события происходят внутри (в "толще") этой поверхности, и, разумеется, подчиняются метрике Лобачевского. Мы же, существа, приученные своим локальным опытом к евклидовой метрике, проецируем поверхность сферы на плоскость. При этом диаметрально противоположная нам точка будет восприниматься нами как бесконечность, а длина дуги заменится более длинной прямой. Такое же искажение претерпит и длина волны.

После отрыва излучения от вещества Вселенная по-прежнему состояла из довольно однородной смеси частиц и излучения. В ней уже содержалось вещество, из которого впоследствии образовались галактики, но пока его распределение оставалось в основном рав­номерным. Известно, однако, что позже наступил этап неоднородности, иначе сейчас не было бы галактик. Но откуда же взялись флуктуации, приведшие к по­явлению галактик?

Астрономы полагают, что они проявились очень рано, практически сразу же после Большого взрыва. Что их вызвало? Точно неизвестно и, может быть, ни­когда не будет известно наверняка, но они каким-то образом появились практически в самый первый мо­мент. Возможно, поначалу они были довольно велики, а затем сгладились, а может быть, наоборот, увеличи­вались с течением времени. Известно, однако, что по окончании эпохи излучения эти флуктуации стали расти. С течением времени они разорвали облака час­тиц на отдельные части. Эти гигантские клубы веще­ства расширялись вместе с Вселенной, но постепен­но стали отставать. Затем под действием взаимного притяжения частиц начало происходить их уплотне­ние. Большинство этих образований поначалу мед­ленно вращалось, и по мере уплотнения скорость их вращения возрастала.

Турбулентность в каждом из фрагментов была весьма значительна, и облако дробилось ещё больше, до тех пор, пока не остались области размером со звез­ду. Они уплотнялись и образовывали так называемые протозвезды (облако в целом называется протогалактикой). Затем стали загораться звёзды и галактики приобрели свой нынешний вид.

Эта картина довольно правдоподобна, но все же остается ряд нерешённых проблем. Как, например, выглядели ранние формы галактик (их обычно назы­вают первичными галактиками)? Так как пока ни одна из них не наблюдалась, сравнивать теоретические по­строения не с чем.

Есть и другие трудности. Задумаемся над тем, что мы видим, вглядываясь в глубины космоса. Ясно, что при этом мы заглядываем в прошлое. Почему? Да пото­му, что скорость света не бесконечна, а имеет предел; для того чтобы дойти до нас от удаленного объекта, све­ту требуется некоторое время. Например, галактику, на­ходящуюся от нас на расстоянии 10 миллионов свето­вых лет, мы видим такой, какой она была 10 миллионов лет назад; галактику на расстоянии 3 миллиарда свето­вых лет мы наблюдаем отстоящей от нас во времени на 3 миллиарда лет. Всматриваясь ещё дальше, мы ви­дим все более тусклые галактики, и, наконец, они ста­новятся вовсе не видны — за определенной границей можно наблюдать только так называемые радиогалак­тики, которые, похоже, во многих случаях находятся в состоянии взрыва. За этой границей расположены особенно странные галактики — мощные источники радиоизлучения с чрезвычайно плотными ядрами.

Наконец, на самой окраине Вселенной можно разглядеть только квазары. Их обнаружили в начале 60-х годов, и с тех пор они остаются для нас загадкой. Они испускают больше энергии, чем целая галактика (а ведь в нее входят сотни миллиардов звезд), при весьма малом размере — не больше Солнечной систе­мы. По сравнению с количеством излучаемой энергии такой размер просто смехотворен. Как может столь малый объект давать столько энергии? На эту тему в последние годы много рассуждали, в основном при­менительно к чёрным дырам, но ответа пока нет. В со­ответствии с наиболее приемлемой моделью, квазар - это плотный сгусток газа и звёзд, находящийся по­близости от чёрной дыры. Энергия выделяется, когда газ и звёздное вещество поглощаются чёрной дырой. Важно помнить, что мы видим все эти объекты та­кими, какими они были давным-давно, когда Вселен­ной было, скажем, всего несколько миллионов лет от роду. Поскольку на самой окраине видны только квазары, напрашивается вывод, что они есть самая ранняя форма галактик. Ближе к нам находятся ра­диогалактики, так, может быть, они произошли от квазаров? Еще ближе обычные галактики, которые, стало быть, произошли от радиогалактик? Получает­ся как бы цепь эволюции: квазары, радиогалактики и обычные галактики. Хотя такие рассуждения кажут­ся вполне разумными, большинство астрономов с ни­ми не соглашается. Одно из возражений - разница в размерах между квазарами и галактиками. Следует, однако, упомянуть, что недавно вокруг некоторых квазаров обнаружены туманности. Возможно, эти ту­манности затем конденсируются в звёзды, которые объединяются в галактики. Из-за упомянутой выше и других трудностей большая часть астрономов пред­почитает считать, что и на самых дальних рубежах есть первичные галактики, но они слишком слабы и потому не видны. Более того, недавно обнаружены новые свидетельства, подтверждающие такое предпо­ложение, - зарегистрировано несколько галактик, на­ходящихся на 2 миллиарда световых лет дальше, чем самая дальняя из известных галактик. Они настолько слабы, что для получения их изображения на фото­пластинке понадобилась экспозиция 40 ч.

Мы рассмотрели теории возникновение Вселенной. Теперь рассмотрим её возможную дальнейшую судьбу.

• 
  Рождение сверхгалактик и скоплений галактик.
  

Во время эры излучения продолжалось стремительное расширение космической материи, состоящей из фотонов, среди которых встречались свободные протоны или электроны и крайне редко - альфа частицы. В период эры излучения протоны и электроны в основном оставались без изменений, уменьшалась только их скорость. С фотонами дело обстояло намного сложнее. Хотя скорость их осталась прежней, в течение эры излучения гамма фотоны постепенно превращались в фотоны рентгеновские, ультрафиолетовые и фотоны света. Вещество и фотоны к концу эры остыли уже настолько, что к каждому из протонов мог, присоединится один электрон. При этом происходило излучение одного ультрафиолетового фотона (или же нескольких фотонов света) и, таким образом, возник атом водорода. Это была первая система частиц во Вселенной.

С возникновением атомов водорода начинается звёздная эра - эра частиц, точнее говоря, эра протонов и электронов.

Вселенная вступает в звёздную эру в форме водородного газа с огромным количеством световых и ультрафиолетовых фотонов. Водородный газ расширялся в различных частях Вселенной с разной скоростью. Неодинаковой была также и его плотность. Он образовывал огромные сгустки, во много миллионов световых лет. Масса таких космических водородных сгустков была в сотни тысяч, а то и в миллионы раз больше, чем масса нашей теперешней Галактики. Расширение газа внутри сгустков шло медленнее, чем расширение разреженного водорода между самими сгущениями. Позднее из отдельных участков с помощью собственного притяжения образовались сверхгалактики и скопления галактик. Итак, крупнейшие структурные единицы Вселенной - сверхгалактики - являются результатом неравномерного распределения водорода, которое происходило на ранних этапах истории Вселенной.

Колоссальные водородные сгущения - зародыши сверх галактик и скоплений галактик - медленно вращались. Внутри их образовывались вихри, похожие на водовороты. Их диаметр достигал примерно ста тысяч световых лет. Мы называем эти системы протогалактиками, т.е. зародышами галактик. Несмотря на свои невероятные размеры, вихри протогалактик были всего лишь ничтожной частью сверхгалактик и по размеру не превышали одну тысячную сверхгалактики. Сила гравитации образовывала из этих вихрей системы звёзд, которые мы называем галактиками. Некоторые из галактик до сих пор напоминают нам гигантское завихрение.

Астрономические исследования показывают, что скорость вращения завихрения предопределила форму галактики, родившейся из этого вихря. Выражаясь научным языком, скорость осевого вращения определяет тип будущей галактики. Из медленно вращающихся вихрей возникли эллиптические галактики, в то время как из быстро вращающихся родились сплющенные спиральные галактики.

В результате силы тяготения очень медленно вращающийся вихрь сжимался в шар или несколько сплюнутый эллипсоид. Размеры такого правильного гигантского водородного облака были от нескольких десятков до нескольких сотен тысяч световых лет. Нетрудно определить, какие из водородных атомов вошли в состав рождающейся эллиптической, точнее говоря эллипсоидальной галактики, а какие остались в космическом пространстве вне неё. Если энергия связи сил гравитации атома на периферии превышала его кинетическую энергию, атом становился составной частью галактики. Это условие называется критерием Джинса. С его помощью можно определить, в какой степени зависела масса и величина протогалактики от плотности и температуры водородного газа.