Результаты познания, получаемые в космологии, оформляются в виде моделей происхождения и развития Вселенной. Это связано с тем, что в космологии невозможно поставить воспроизводимые эксперименты и вывести из них какие-то законы, как это делается в других естественных науках. Кроме того, каждое космическое явление уникально. Поэтому космология оперирует моделями.
Формирование классической космологической модели
Уже древние мудрецы задавались вопросом о происхождении и устройстве Вселенной. Их взгляды и идеи были неотъемлемым компонентом философских систем древности. Эти первые космологические идеи, сохранившиеся до наших дней в виде мифов, основывались на астрономических наблюдениях. Жрецам Вавилона, Египта, Индии и Китая удалось точно вычислить продолжительность года, повторяемость солнечных и лунных затмений. Наблюдая за небесными телами, они смогли выявить две группы небесных тел: подвижные и неподвижные. Множество звезд долгое время считались неподвижными объектами. К числу подвижных тел относились Луна, Солнце и пять известных в то время планет, названных именами богов (впервые это было сделано в Вавилоне, сегодня же мы используем в качестве названий планет имена римских богов) - Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. В их честь неделя была разделена на семь дней, каждый из которых в существующей и сегодня астрологической традиции связан с одним из подвижных тел. Из наблюдения видимого движения Солнца по небесной сфере были открыты двенадцать так называемых зодиакальных созвездий.
После того как появилась философия, пришедшая вместе с наукой на смену мифологии, ответ на «вечные» вопросы стали искать в основном в рамках философских концепций. В античности появилось несколько интересных космологических моделей Вселенной, принадлежащих Пифагору, Демокриту, Платону. Тогда же возникли и первые гелиоцентрические модели Вселенной. Так, Гераклид Понтийский признавал суточное вращение Земли и ее движение
вокруг покоящегося Солнца. Аристарх Самосский выдвигал идею о том, что Земля вращается по окружности, центром которой служит Солнце. Но гелиоцентрические идеи были отвергнуты большинством античных мыслителей, и общепризнанным итогом античной космологии стала геоцентрическая концепция, сформулированная Аристотелем и усовершенствованная Птолемеем. Данная модель просуществовала в течение всего Средневековья. Она была очень сложной, так как для компенсации видимого движения планет, совершающих петлеобразные движения, пришлось ввести систему деферентов и эпициклов.
С приходом Нового времени философия уступила свое первенство в создании космологических моделей науке, которая добилась особенно больших успехов в XX в., перейдя от различных догадок к достаточно обоснованным фактам, гипотезам и теориям. Первым результатом стало появление в XVI в. гелиоцентрической модели Вселенной, автором которой стал Николай Коперник. В этой модели Вселенная все еще представляла собой замкнутую сферу, в центре которой находилось Солнце, а вокруг него вращались планеты, в том числе и Земля.
Успехи космологии и космогонии в XVIII-XIX вв. завершились созданием классической полицентрической картины мира, ставшей начальным этапом развития научной космологии. Данная модель достаточно проста и понятна. Вселенная считается бесконечной в пространстве и во времени, иными словами, вечной. Основным законом, управляющим движением и развитием небесных тел, является закон всемирного тяготения. Пространство никак не связано с находящимися в нем телами, играя пассивную роль вместилища для этих тел. Время также не зависит от материи, являясь универсальной длительностью всех природных явлений и тел. Исчезни вдруг все тела, пространство и время сохранились бы неизменными. Количество звезд, планет и звездных систем во Вселенной бесконечно велико. Каждое небесное тело проходит длительный жизненный путь. На смену погибшим, точнее, погасшим, звездам приходят новые, молодые светила. Хотя детали возникновения и гибели небесных тел оставались неясными, в основном эта модель казалась стройной и логически непротиворечивой. В таком виде классическая полицентрическая модель просуществовала в науке вплоть до начала XX в.
Однако в данной модели Вселенной было несколько недостатков. Закон всемирного тяготения объяснял центростремительное ускорение планет, но не говорил, откуда взялось стремление планет, а также любых материальных тел двигаться равномерно и прямолинейно. Для объяснения инерциального движения пришлось допустить существование в ней божественного «первотолчка», приведшего в движение все материальные тела. Кроме того, для кор-
рекции орбит космических тел также допускалось вмешательство Бога. Таким образом, классическая полицентрическая модель Вселенной лишь частично носила научный характер, она не смогла дать научного объяснения происхождения Вселенной и поэтому была заменена другими моделями.
Космологические парадоксы
К концу XIX в. появились серьезные сомнения в классической космологической модели. Они приняли форму так называемых космологических парадоксов - фотометрического, гравитационного и термодинамического.
Фотометрический парадокс. Еще в XVIII в. швейцарский астроном Р. Шезо высказал сомнения в пространственной бесконечности Вселенной. Если предположить, утверждал Шезо, что в бесконечной Вселенной существует бесконечное множество звезд и они распределены в пространстве равномерно, то тогда по любому направлению взгляд земного наблюдателя непременно натыкался бы на какую-нибудь звезду. Тогда небосвод, сплошь усеянный звездами, имел бы бесконечную светимость, т.е. такую поверхностную яркость, что даже Солнце на его фоне казалось бы черным пятном. Однако этого не происходит. Независимо от Шезо к аналогичным же выводам пришел известный немецкий астроном Ф. Ольберс. Это парадоксальное утверждение получило в астрономии наименование фотометрического парадокса Шезо-Ольберса. Таков был первый космологический парадокс, поставивший под сомнение пространственную бесконечность Вселенной.
Гравитационный парадокс. В конце XIX в. немецкий астроном К. Зеелигер обратил внимание на другой парадокс, также неизбежно вытекавший из представлений о бесконечности Вселенной. Он получил название гравитационного парадокса. Нетрудно подсчитать, что в бесконечной Вселенной с равномерно распределенными в ней телами сила тяготения со стороны всех тел Вселенной на данное тело оказывается бесконечно большой или неопределенной. Результат зависит от способа вычисления. Поскольку этого не происходит, Зеелигер сделал вывод, что количество небесных тел во Вселенной ограничено, а значит, и сама Вселенная не бесконечна.
Термодинамический парадокс. Третий, термодинамический, парадокс также был сформулирован в XIX в. Он вытекает из второго начала термодинамики - принципа возрастания энтропии. Мир полон энергии, которая подчиняется важнейшему закону природы - закону сохранения энергии. Казалось бы, из этого закона неизбежно вытекает вечный круговорот материи во Вселенной. В самом деле, если в природе при всех изменениях материи она не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы суще-
ствования в другую, то Вселенная вечна, а материя, ее составляющая, пребывает в вечном круговороте. Таким образом, погасшие звезды снова превращаются в источник света и тепла. Никто, конечно, не знал, как это происходит, но убеждение в том, что Вселенная в целом всегда одна и та же, было в то время почти всеобщим.
Тем неожиданнее прозвучал вывод из второго начала термодинамики, открытого в середине XIX в. англичанином Кельвином и немецким физиком Клаузиусом. При всех превращениях различные виды энергии в конечном счете переходят в тепло, которое, будучи предоставлено себе, стремится к состоянию термодинамического равновесия, т.е. рассеивается в пространстве. Так как процесс рассеяния тепла необратим, то рано или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в природе прекратятся и Вселенная превратится в мрачное замерзшее кладбище. Наступит тепловая смерть Вселенной.
Встать на позицию Клаузиуса - значит признать, что Вселенная имела когда-то начало и неизбежно будет иметь конец. Действительно, если бы в прошлом Вселенная существовала вечно, то в ней давно наступило бы состояние тепловой смерти, а так как этого нет, то, по убеждению Клаузиуса и многих других его современников, Вселенная была сотворена сравнительно недавно, а в будущем, если не случится какого-нибудь чуда, Вселенную ждет тепловая смерть.
Таким образом, концепция тепловой смерти Вселенной, термодинамический парадокс подставили под сомнение вопрос о вечности Вселенной во времени. Три космологических парадокса заставили ученых усомниться в классической космологической модели Вселенной, побудили их к поискам новых непротиворечивых моделей.
Релятивистская модель Вселенной
Новая модель Вселенной была создана в 1917 г. А. Эйнштейном. Ее основу составила релятивистская теория тяготения - общая теория относительности. Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяются распределением в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но при этом замкнута в пространстве. Согласно этой модели, пространство однородно и изотропно, т.е. во всех направлениях имеет одинаковые свойства, материя распределена в нем равномерно, время бесконечно, а его течение не влияет на свойства Вселенной. На основании проведенных расчетов Эйнштейн сделал вывод, что мировое пространство представляет собой четырехмерную сферу.
При этом не следует представлять себе данную модель Вселенной в виде обычной сферы. Сферическое пространство есть сфера, но сфера четырехмерная, не поддающаяся наглядному представлению. По аналогии можно сделать вывод, что объем такого пространства конечен, как конечна поверхность любого шара, ее можно выразить конечным числом квадратных сантиметров. Поверхность всякой четырехмерной сферы также выражается конечным числом кубометров. Такое сферическое пространство не имеет границ, и в этом смысле оно безгранично. Летя в таком пространстве в одном направлении, мы в конце концов вернемся в исходную точку. Но в то же время муха, ползущая по поверхности шара, нигде не найдет границ и преград, запрещающих ей двигаться в любом избранном направлении. В этом смысле поверхность любого шара безгранична, хотя и конечна, т.е. безграничность и бесконечность - это разные понятия.
Итак, из расчетов Эйнштейна следовало, что наш мир является четырехмерной сферой. Объем такой Вселенной может быть выражен хотя и очень большим, но все же конечным числом кубометров. В принципе можно облететь всю замкнутую Вселенную, двигаясь все время в одном направлении. Такое воображаемое путешествие подобно земным кругосветным путешествиям. Но конечная по объему Вселенная в то же время безгранична, как не имеет границ поверхность любой сферы. Вселенная Эйнштейна содержит хотя и большое, но все же конечное число звезд и звездных систем, а поэтому к ней неприменимы фотометрический и гравитационный парадоксы. В то же время призрак тепловой смерти тяготеет и над Вселенной Эйнштейна. Такая Вселенная, конечная в пространстве, неизбежно идет к своему концу во времени. Вечность ей не присуща.
Таким образом, несмотря на новизну и даже революционность идей, Эйнштейн в своей космологической теории ориентировался на привычную классическую мировоззренческую установку статичности мира. Его более привлекал гармоничный и устойчивый мир, нежели мир противоречивый и неустойчивый.
Модель расширяющейся Вселенной
Модель Вселенной Эйнштейна стала первой космологической моделью, базирующейся на выводах общей теории относительности. Это связано с тем, что именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях. Поэтому теоретическим ядром современной космологии выступает теория тяготения - общая теория относительности. Эйнштейн допускал в своей космологической модели наличие некой гипотетической отталкивающей силы, которая должна была обеспечить стационарность, неизменность Вселенной. Однако последующее развитие естествознания внесло существенные коррективы в это представление.
Пять лет спустя, в 1922 г., советский физик и математик А. Фридман на основе строгих расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна не может быть стационарной, неизменной. При этом Фридман опирался на сформулированный им космологический принцип, который строится на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной: мы можем проводить наблюдения в любой из них и везде увидим изотропную Вселенную.
Фридман на основе космологического принципа доказал, что уравнения Эйнштейна имеют и другие, нестационарные решения, согласно которым Вселенная может либо расширяться, либо сжиматься. При этом речь шла о расширении самого пространства, т.е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.
Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие эффекта Допплера - изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. «Красное смещение» было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. Согласно последним измерениям увеличение скорости расширения составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек.
В результате своих наблюдений Хаббл обосновал представление, что Вселенная - это мир галактик, что наша Галактика - не единственная в ней, что существует множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями. Вместе с тем Хаббл пришел к выводу, что межгалактические расстояния не остаются постоянными, а увеличиваются. Таким образом, в естествознании появилась концепция расширяющейся Вселенной.
Какое же будущее ждет нашу Вселенную? Фридман предложил три модели развития Вселенной.
В первой модели Вселенная расширяется медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого Вселенная начинала сжиматься. В этой модели пространство искривляется, замыкаясь на себя, образуя сферу.
Во второй модели Вселенная расширялась бесконечно, а пространство искривлено как поверхность седла и при этом бесконечно.
А
В третьей модели Фридмана пространство плоское и тоже бесконечное.
По какому из этих трех вариантов идет эволюция Вселенной, зависит от отношения гравитационной энергии к кинетической энергии разлетающегося вещества.
Если кинетическая энергия разлета вещества преобладает над гравитационной энергией, препятствующей разлету, то силы тяготения не остановят разбегания галактик, и расширение Вселенной будет носить необратимый характер. Этот вариант динамичной модели Вселенной называют открытой Вселенной.
Если же преобладает гравитационное взаимодействие, то темп расширения со временем замедлится до полной остановки, после чего начнется сжатие вещества вплоть до возврата Вселенной в исходное состояние сингулярности (точечный объем с бесконечно большой плотностью). Такой вариант модели назван осциллирую щей, или закрытой, Вселенной.
В граничном случае, когда силы гравитации точно равны энергии разлета вещества, расширение не прекратится, но его скорость со временем будет стремиться к нулю. Через несколько десятков миллиардов лет после начала расширения Вселенной наступит состояние, которое можно назвать квазистационарным. Теоретически возможна и пульсация Вселенной.
Наблюдаемое нами разбегание галактик есть следствие расширения пространства замкнутой конечной Вселенной. При таком расширении пространства все расстояния во Вселенной увеличиваются подобно тому, как растут расстояния между пылинками на поверхности раздувающегося мыльного пузыря. Каждую из таких пылинок, как и каждую из галактик, можно с полным правом считать центром расширения. Когда Э. Хаббл показал, что далекие галактики разбегаются друг от друга со все возрастающей скоростью, был сделан однозначный вывод о том, что наша Вселенная расширяется. Но расширяющаяся Вселенная - это изменяющаяся Вселенная, мир со всей своей историей, имеющий начало и конец. Постоянная Хаббла позволяет оценить время, в течение которого продолжается процесс расширения Вселенной. Получается, что оно не менее 10 млрд. и не более 19 млрд. лет. Наиболее вероятным временем существования расширяющейся Вселенной считают 15 млрд. лет. Таков приблизительный возраст нашей Вселенной.
Космология изучает физическую природу, строение и эволюцию Вселенной как целого.
Понятие «Вселенная» означает Космос, доступный человеческому наблюдению.
Космология рассматривает наиболее общие свойства всей области пространства, охваченной наблюдением. Мы называем ее Метагалактикой. Наши знания о Метагалактике ограничиваются горизонтом наблюдений. Этот горизонт определяется тем, что скорость света не мгновенна. Следовательно, мы можем наблюдать только те области Вселенной, от которых свет успел дойти до нас к настоящему времени. При этом мы видим объекты не в их нынешнем состоянии, а в том, в котором они были в момент испускания света.
Модели Вселенной, как и любые другие, строятся на основе теоретических представлений, которые существуют в данное время в космологии, физике, математике, химии и других смежных дисциплинах.
Несколько предпосылок изучения Вселенной:
Считается, что формулируемые физикой законы функционирования мира действуют во всей Вселенной;
Считается, что наблюдения астрономов также распространяются на всю Вселенную;
Считается, что истинны те выводы, которые не противоречат существованию человека (антропный принцип).
Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной.
Проблемы возникновения и устройства Вселенной занимали людей с древности. Несмотря на высокий уровень астрономических сведений народов древнего Востока, их взгляды на строение мира ограничивались непосредственными зрительными ощущениями. Поэтому в Вавилоне сложились представления, согласно которым Земля имеет вид выпуклого острова, окруженного океаном. Внутри Земли будто бы находится «царство мертвых». Небо - это твердый купол, опирающийся на земную поверхность и отделяющий «нижние воды» (океан, обтекающий земной остров) от «верхних» (дождевых) вод. На этом куполе прикреплены небесные светила, над небом будто бы живут боги. Согласно представлениям древних египтян, Вселенная имеет вид большой долины, вытянутой с севера на юг, в центре ее находится Египет. Небо уподоблялось большой железной крыше, которая поддерживается на столбах, на ней в виде светильников подвешены звезды.
Гераклид Понтийский и Евдокс Книдский в IV в до н.э. утверждали, что все тела во Вселенной вращаются вокруг своей оси, и обращаются вокруг общего центра (Земли) по сферам, количество которых в разных космогониях варьировало от 30 до 55. Вершиной этой картины мира стала система Клавдия Птолемея (II в. н.э.).
Первые научно-обоснованные модели Вселенной появились после открытий Коперника, Галилея и Ньютона. Сначала Р. Декарт выдвинул идею эволюционной вихревой Вселенной. Согласно его теории, все космические объекты образовались из первичной однородной материи в результате вихревых движений. Солнечная система, согласно Декарту - один из вихрей космической материи. И. Кант развивал идею бесконечной Вселенной, образовавшейся под действием механических сил притяжения и отталкивания, и попытался выяснить дальнейшую судьбу такой Вселенной. Математически описал гипотезу Канта великий французский математик Лаплас.
И. Ньютон считал, что тяготеющая вселенная не может быть конечной, так как в этом случае все звезды, ее составляющие, под действием сил тяготения соберутся в центре. Он пытался объяснить наблюдаемое противоречие бесконечным количеством звезд во Вселенной, а также бесконечностью мира во времени и пространстве. Однако космология столкнулась тогда с парадоксами.
1. Гравитационный парадокс: согласно ньютоновскому понятию гравитации бесконечный Космос с конечной плотностью массы должен давать бесконечную силу притяжения. Бесконечно возрастающее тяготение неизбежно приводит к бесконечным ускорениям и бесконечным скоростям космических тел. Следовательно, скорость тел должна расти с увеличением расстояния между телами. Но этого не происходит, и тогда получается, что Вселенная не может существовать вечно.
Решая эту проблему, И. Кант сделал вывод о нестатичности Космоса. Туманности он называл «мировыми островами». Ламберт развил идеи Канта. По его мнению, при увеличении размеров островов увеличивается и расстояние между ними так, что суммарные силы Космоса остаются конечными. Тогда парадокс разрешается.
2. Фотометрический парадокс (парадокс Ольберса): при бесконечной Вселенной, заполненной бесконечным числом звезд, небо должно быть равномерно ярким. На самом же деле такого эффекта не наблюдают. В 1823 г. Ольберс показал, что пылевые облака, которые поглощают свет более дальних звезд, сами нагреваются и должны, поэтому излучать свет. Этот парадокс разрешился сам собой после создания модели расширяющейся Вселенной.
Современная космология возникла после появления общей теории относительности Эйнштейна и поэтому ее, в отличие от классической Галилеевой и Ньютоновой космологии, называют релятивистской. Эмпирической базой для космологии являются оптические и радиолокационные астрономические наблюдения. Открытие элементарных частиц и исследование их поведения на ускорителях в условиях, приближенных к существовавшим на первоначальных этапах развития Вселенной, помогло понять, что происходило в первые моменты ее эволюции.
Когда Эйнштейн работал над своей общей теорией относительности, Вселенная представлялась ученым не такой, как сейчас. Еще не были открыты Метагалактика и ее расширение, поэтому Эйнштейн опирался на представления о стационарной Вселенной, которая равномерно наполнена Галактиками, находящимися на неизменных расстояниях. Тогда неизбежно следовал вывод о сжатии мира под действием силы притяжения. Этот результат находился в противоречии с выводами ОТО. Чтобы не вступать в конфликт с общепринятой картиной мира, Эйнштейн произвольно ввел в свои уравнения новый параметр - космическое отталкивание, которое характеризовалось с помощью космологической постоянной. А. Эйнштейн предполагал, что Вселенная стационарна, бесконечна, но не безгранична. То есть она мыслилась в виде сферы, постоянно увеличивающейся в объеме, но имеющей границы.
Единственным человеком, который в 1922 году верил в правильность выводов ОТО применительно к космологическим проблемам, был молодой советский физик А.А. Фридман. Он заметил, что из теории относительности вытекает нестационарность искривления пространства.
Как уже говорилось в первой части данной работы, модель Фридмана опирается на представления об изотропном, однородном и нестационарном состоянии Вселенной.
Изотропность указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек направлений, то есть ее свойства не зависят от направления.
Однородность Вселенной характеризует распределение вещества в ней. Эту равномерность распределения вещества можно обосновать, подсчитывая число галактик до данной видимой звездной величины. Согласно наблюдениям, плотность вещества в видимой нами части пространства в среднем одинакова.
Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться в статичном, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься
В современной космологии три этих утверждения называются космологическими постулатами. Совокупность этих постулатов является основополагающим космологическим принципом. Космологический принцип непосредственно вытекает из постулатов общей теории относительности.
А. Фридман, на базе выдвинутых им постулатов, создал модель строения Вселенной, в которой все галактики удаляются друг от друга. Эта модель похожа на равномерно раздувающийся резиновый шар, все точки пространства которого удаляются друг от друга. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается, однако ни одну из них нельзя назвать центром расширения. Причем, чем больше расстояние между точками, тем быстрее они удаляются друг от друга.
Сам Фридман рассматривал только одну модель строения Вселенной, в которой пространство изменяется по параболическому закону. То есть, вначале оно будет медленно расширяться, а затем, под влиянием сил гравитации - расширение сменится сжатием до первоначальных размеров. Его последователи показали, что существует как минимум три модели, для которых выполняются все три космологических постулата. Параболическая модель А. Фридмана - один из возможных вариантов. Несколько иное решение задачи нашел голландский астроном В. де Ситтер. Пространство Вселенной в его модели гиперболическое, то есть расширение Вселенной происходит с нарастающим ускорением. Скорость расширения настолько велика, что гравитационное воздействие не может препятствовать этому процессу. Он фактически предсказал расширение Вселенной. Третий вариант поведения Вселенной рассчитал бельгийский священник Ж. Леметр. В его модели Вселенная будет расширяться до бесконечности, однако темп расширения будет постоянно снижаться - эта зависимость носит логарифмический характер. В этом случае скорость расширения только-только достаточна, чтобы избежать сжатия до нуля.
В первой модели пространство искривлено и замкнуто само на себя. Это сфера, поэтому размеры его конечны. Во второй модели пространство искривлено иначе, в форме гиперболического параболоида (или седла), пространство бесконечно. В третьей модели с критической скоростью расширения пространство плоское, и, следовательно, тоже бесконечное.
Первоначально эти гипотезы воспринимались как казус, в том числе и А. Эйнштейном. Однако, уже в 1926 году произошло эпохальное событие в космологии, которое подтвердило правильность расчетов Фридмана - Де Ситтера - Леметра. Таким событием, оказавшим воздействие на построение всех существующих моделей Вселенной, явились работы американского астронома Эдвина П. Хаббла. В 1929 году при проведении наблюдений на крупнейшем в то время телескопе, он установил, что свет, идущий к Земле из далеких галактик, смещается в сторону длинноволновой части спектра. Это явление, получившее название «Эффект красного смещения» имеет в своей основе принцип, открытый известным физиком К. Доплером. Эффект Доплера говорит о том, что в спектре источника излучения, приближающегося к наблюдателю линии спектра смещены в коротковолновую (фиолетовую) сторону, в спектре источника, удаляющегося от наблюдателя спектральные линии смещены в красную (длинноволновую)сторону.
Эффект красного смещения свидетельствует об удалении галактик от наблюдателя. За исключением знаменитой Туманности Андромеды и нескольких, ближайших к нам звездных систем, все остальные галактики удаляются о нас. Более того, оказалось, что скорость разлета галактик не одинакова в различных частях Вселенной. Они удаляются от нас тем быстрее, чем дальше расположены. Иначе говоря, величина красного смещения оказалась пропорциональной расстоянию до источника излучения - такова строгая формулировка открытого закона Хаббла. Закономерная связь скорости удаления галактик с расстоянием до них описывается с помощью постоянной Хаббла (Н, км/сек на 1 мегапарсек расстояния).
где V - скорость удаления галактик, r - расстояние между ними.
Величина этой постоянной до сих пор окончательно не установлена. Различные ученые определяют ее в интервале 80 ± 17 км/ сек на каждый мегапарсек расстояния.
Явление красного смещения получило объяснение в феномене «разбегания галактик». В связи с этим, на первый план выдвигаются проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста по продолжительности этого расширения.
Согласно всем трем моделям эволюции Вселенной, она имела точку отсчета - состояние, характеризовавшееся нулевым моментом времени. Начальным состоянием материи в ней было некоторое сверхплотное состояние, которое характеризовалось неустойчивостью, что и привело к его разрушению. В результате вещество Вселенной стало стремительно разлетаться. Сейчас мы знаем, что за каждый млрд лет жизни Вселенная расширяется на 5 - 10%. Наиболее вероятное значение постоянной Хаббла в 80 км/сек дает нам значения времени расширения - от 13 до 17млрд лет. В 2002 году с помощью компьютерной модели современного состояния Вселенной были получены результаты, дающие нам время ее жизни в 13,7 млрд лет.
Механизм дальнейшей эволюции зависит от средней плотности вещества в ней. Критической плотности вещества соответствует величина в 3 атома водорода в 1 м3 пространства. Однако неопределенность в современном значении плотности вещества Вселенной очень велика. Если сложить массы всех известных в настоящее время Галактик и межзвездного газа, то получится величина?=0,3 атома Н, то есть на порядок меньше критической. Соответственно, Вселенная может расширяться вечно.
Однако, существует так называемая проблема скрытой массы. Возможно, ученым известна не вся имеющаяся во Вселенной материя. По последним данным, наблюдаемая масса Вселенной составляет всего 5-10% относительно общей массы вещества. В случае подтверждения этого результата, эволюция Вселенной может пойти по другому пути. На роль скрытой носителей массы Вселенной претендуют различные космические объекты. В нашей и других Галактиках существует большое количество темной материи, которую нельзя видеть непосредственно, но о существовании которой мы узнаем по ее гравитационному воздействию на орбиты звезд. Более того, внутри галактических скоплений содержится еще большее количество такой материи. Эта материя представляет собой вакуумные квантовомеханические структуры. На ее долю падает 75% скрытой массы.
На роль носителей скрытой массы могут претендовать нейтрино, частицы, образовавшиеся на ранних стадиях развития вселенной. Как стало известно в последние 3 года, нейтрино все - таки имеют массу, следовательно, могут участвовать в формировании гравитационных взаимодействий.
Кандидатами на ту же роль являются и некоторые экзотические объекты, такие как черные дыры - объекты точечного размера и огромной массы, которые содержатся во вселенной в больших количествах, пространственные струнные объекты и т.п.
По мнению ряда ученых, 20% скрытой материи представлены «зеркальными частицами», из которых состоит невидимый нами «зеркальный мир», который пронизывает нашу Вселенную. Гипотез на этот счет достаточно, однако их подтверждение или опровержение - дело будущего.
В случае, если предположения ученых о неизвестной нам массе вещества Вселенной подтвердятся, то ее эволюция может пойти по пути, предложенному в модели Фридмана, или по схеме Пульсирующей Вселенной. В этой модели Вселенная проходит бесконечно большое количество осцилляций, то есть в конце каждого жизненного цикла возвращается в первоначальное состояние с точечным объемом и бесконечно большой плотностью.
Очень важной проблемой современной космологии являются начальные моменты существования нашей Вселенной. Удачная попытка решения этой проблемы связана с именем американского астрофизика Георгия Антоновича Гамова, который в 1942 г. предложил концепцию эволюции Вселенной путем «Большого взрыва». Основная цель автора концепции заключалась в том, чтобы, рассматривая ядерные реакции в начале космологического расширения, получить наблюдаемые в наше время соотношения между количеством различных химических элементов и их изотопов. Теория Горячей Вселенной и Большого взрыва дает определенные предсказания о состоянии вещества Вселенной в первые моменты ее жизни.
1. Введение.
2. Современные космологические модели Вселенной.
3. Этапы космической эволюции.
4. Планеты.
5. Кометы.
6. Астероиды.
7. Звёзды.
8. Использованная литратура.
Введение.
Мегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд, звезд и звездных систем - галактик; системы галактик - Метагалактики.
Материя во Вселенной представлена сконденсировавшимися космическими телами и диффузной материей. Диффузная материя существует в виде разобщенных атомов и молекул, а также более плотных образований - гигантских облаков пыли и газа - газово-пылевых туманностей. Значительную долю материи во
Вселенной, наряду с диффузными образованиями, занимает материя в виде излучения. Следовательно, космическое межзвездное пространство никоим образом не пусто.
Современные космологические модели Вселенной.
Как указывалось в предыдущей главе, в классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой
Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.
Классическая ньютоновская космология явно или неявно принимала следующие постулаты:
Вселенная - это всесуществующая, «мир в целом». Космология познает мир таким, как он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания.
Пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов.
Пространство и время метрически бесконечны.
Пространство и время однородны и изотропны.
Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.
Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами. Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности.
Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана самим Л. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответствии с космологической моде лью Вселенной
А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием.
Эта модель казалась в то время вполне удовлетворительной, поскольку она согласовывалась со всеми известными фактами. Но новые идеи, выдвинутые А.Эйнштейном, стимулировали дальнейшее исследование, и вскоре подход к проблеме решительно изменился.
В том же 1917 г. голландский астроном В. де Ситтер предложил другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае «пустой»
Вселенной, свободной oт материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода космическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга и растворить всю систему. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.
В 1922 г. российский математик и геофизик Л.А. Фридман о (бросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и дал принятое в настоящее время решение космологической проблемы.
Решение уравнений А.А. Фридмана, допускает три возможности. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и
Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния.
Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией
Лобачевского и так же неограниченно расширяется. И, наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния. По современным данным, средняя плотность материи во Вселенной меньше критической, так что более вероятной считается модель Лобачевского, т.е. пространственно бесконечная расширяющаяся Вселенная. Не исключено, что некоторые виды материи, которые имеют большое значение для величины средней плотности, пока остаются неучтенными. В связи с этим делать окончательные выводы о конечности или бесконечности Вселенной пока преждевременно.
Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Первым к поискам данных о движении спиральных галактик обратился В. де Ситтер.
Обнаружение эффекта Доплера, свидетельствовавшего об удалении галактик, дало толчок дальнейшим теоретическим исследованиям и новым улучшенным измерениям расстояний и скоростей спиральных туманностей.
В 1929 г. американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию,- система галактик расширяется.
Но то, что в настоящее время Вселенная расширяется, еще не позволяет однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели.
Этапы космической эволюции.
Как бы ни решался вопрос о многообразии космологических моделей, очевидно, что наша Вселенная расширяется, эволюционирует. Время ее эволюции от первоначального состояния оценивается приблизительно в 20 млрд лет.
Возможно, более подходящей является аналогия не с элементарной частицей, а со сверхгеном, обладающим огромным набором потенциальных возможностей, реализующихся в процессе эволюции. В современной науке выдвинут гак называемый антропный принцип в космологии. Суть его заключается в том, что жизнь во Вселенной возможна только при тех значениях универсальных постоянных, физических констант, которые в действительности имеют место. Если значение физических констант имело бы хоть ничтожное отклонение от существующих, то возникновение жизни было бы в принципе невозможно. Это значит, что уже в начальных физических условиях существования Вселенной заложена возможность возникновения жизни.
От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва, заполнившего все пространство. В итоге каждая частица материи устремилась прочь от любой другой.
Всего лишь через одну сотую секунды после взрыва Вселенная имела температуру порядка 100 000 млн град, по Кельвину. При такой температуре
(выше температуры центра самой горячей звезды) молекулы, атомы и даже ядра атомов существовать не могут. Вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны и нейтроны Плотность вещества Вселенной спустя 0,01 с после взрыва была огромной - в 4 000 млн paз больше, чем у воды
В конце первых тpеx минут после взрыва температура вещества Вселенной, непрерывно снижаясь, достигла 1 млрд град. При этой все еще очень высокой температуре начали образовываться ядра атомов, в частности, ядра тяжелого водорода и гелия. Однако вещество Вселенной в конце первых трех минут состояло в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино.
Планеты.
Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн были известны в древности. Уран открыт в 1781 г. В. Гершелем.
В 1846 году открыта восьмая планета – Нептун. В 1930 г. американский астроном К. Томбо нашел на негативах медленно движущийся звездообразный объект, который оказался новой, девятой планетой. Ее назвали Плутоном. Поиски и открытие спутников планет Солнечной системы продолжаются до настоящего времени.
Планеты Меркурий, Венера, Земля и Марс объединены в одну группу планет земного типа. По своим характеристикам они значительно отличаются от Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, которые образуют группу планет-гигантов.
На дисках Марса, Юпитера и Сатурна заметно множество интересных деталей. Одни из них принадлежат поверхности планет, другие – их атмосфере (облачные образования)
При наблюдении за Марсом в период противостояния можно увидеть полярные шапки, меняющиеся по временам года, светлые материки, темные области (моря) и периодическую облачность.
Видимая поверхность Юпитера представляет собой облачный покров. Наиболее заметны темные красноватые полосы, вытянутые параллельно экватору.
Кольца Сатурна – один из самых красивых объектов, которые можно наблюдать в телескоп. Внешнее кольцо отделено от среднего темным промежутком, называемым щелью Кассини. Среднее кольцо является самым ярким. От внутреннего кольца оно тоже отделено темным промежутком. Внутреннее темное и полупрозрачное кольцо называется креповым. Край его размыт, кольцо постепенно сходит на нет.
Опытные наблюдатели отмечают на диске Венеры наличие туманных пятен, вид которых меняется от дня ко дню. Эти пятна могут быть только деталями облачной структуры. Облака на Венере образуют мощный сплошной слой, полностью скрывающий от нас поверхность планеты.
Уран нельзя наблюдать невооруженным глазом. Он виден только в телескоп и выглядит маленьким зеленоватым диском.
Плутон, наиболее далекая среди известных нам планет Солнечной системы, в телескопе выглядит как звезда. Блеск его испытывает периодические изменения, видимо, связанные с вращением (период 6,4 суток).
Полеты космических аппаратов принесли больше информации для планетарных исследований. Однако наземные наблюдения планет имеют важное значение, хотя бы по той причине, что эти аппараты пока не позволяют проводить достаточно длительного слежения за планетами, необходимого для изучения всякого рода изменений (сезонные изменения на Марсе, движение облаков на Юпитере и т.д.). Наземные астрономические наблюдения еще долгое время будут позволять получать интересные данные.
Кометы. Предположительно, долгопериодические кометы залетают к нам из Облака Оорта, в котором находится огромное количество кометных ядер. Тела, находящиеся на окраинах Солнечной системы, как правило, состоят из летучих веществ (водяных, метановых и других льдов), испаряющихся при подлёте к Солнцу.
На данный момент обнаружено более 400 короткопериодических комет. Из них около 200 наблюдалось в более чем одном прохождении перигелия. Многие из них входят в так называемые семейства. Например, приблизительно 50 самых короткопериодических комет (их полный оборот вокруг Солнца длится 3-10 лет) образуют семейство Юпитера. Немного малочисленнее семейства Сатурна, Урана и Нептуна (к последнему, в частности, относится знаменитая комета Галлея).
Кометы, выныривающие из глубины космоса, выглядят как туманные объекты, за которыми тянется хвост, иногда достигающий в длину миллионов километров. Ядро кометы представляет собой тело из твёрдых частиц и льда, окутанное туманной оболочкой, которая называется комой. Ядро диаметром в несколько километров может иметь вокруг себя кому в 80 тыс. км в поперечнике. Потоки солнечных лучей выбивают частицы газа из комы и отбрасывают их назад, вытягивая в длинный дымчатый хвост, который волочится за ней в пространстве.
Яркость комет очень сильно зависит от их расстояния до Солнца. Из всех комет только очень малая часть приближается к Солнцу и Земле настолько, чтобы их можно было увидеть невооружённым глазом. Самые заметные из них иногда называют «большими (великими) кометами».
Астероиды. На настоящий момент в Солнечной системе обнаружены сотни тысяч астероидов. По состоянию на 26 сентября 2009 в базах данных насчитывался 460271 объект, у 219018 точно определены орбиты и им присвоен официальный номер. 15361 из них на этот момент имел официально утверждённые наименования. Предполагается, что в Солнечной системе может находиться от 1.1 до 1.9 миллиона объектов, имеющих размеры более 1 км. Большинство известных на данный момент астероидов сосредоточено в пределах пояса астероидов, расположенного между орбитами Марса и Юпитера.
Самым крупным астероидом в Солнечной системе считалась Церера, имеющая размеры приблизительно 975×909 км, однако с 24 августа2006 года она получила статус карликовой планеты. Два других крупнейших астероида 2 Паллада и 4 Веста имеют диаметр ~500 км. 4 Веста является единственным объектом пояса астероидов, который можно наблюдать невооружённым глазом. Астероиды, движущиеся по другим орбитам, также могут быть наблюдаемы в период прохождения вблизи Земли.
Общая масса всех астероидов главного пояса оценивается в 3.0-3.6×1021 кг, что составляет всего около 4 % от массы Луны. Масса Цереры - 0.95×1021 кг, то есть около 32 % от общей, а вместе с тремя крупнейшими астероидами 4 Веста (9 %), 2 Паллада (7 %), 10 Гигея (3 %) - 51 %, то есть абсолютное большинство астероидов имеют ничтожную, по астрономическим меркам, массу.
Звёзды.
Самым распространенным объектом во Вселенной являются звезды. Возникают они так: частицы газопылевого облака медленно притягиваются между собой за счет гравитационных сил. Плотность облака растет, возникшая непрозрачная сфера начинает вращаться, захватывая все больше частиц из окружающего пространства. Внешние слои давят на внутренние, давление и температура в глубине растут, согласно законам термодинамики, постепенно достигая нескольких миллионов градусов. Тогда в ядре протозвезды создаются условия для протекания реакции термоядерного синтеза гелия из водорода. Об этом «оповещают мир» потоки нейтрино, выделяющихся при такой реакции. В ее результате мощный поток электромагнитного излучения давит на внешние слои вещества, противодействуя гравитационному сжатию. Когда силы излучения и гравитации уравновешиваются, протозвезда становится звездой. Чтобы пройти эту стадию своей эволюции протозвезде нужно от нескольких миллионов лет (при массе больше солнечной) до нескольких сот миллионов лет (при массе меньше солнечной). Широко распространены двойные и кратные звезды, можно сказать, что это обычное явление. Они образуются рядом и вращаются вокруг общего центра масс. Их насчитывается около 50% от всех звезд.
Химический состав звезд по данным спектрального анализа в среднем такой: на 10000 атомов водорода приходится 1000 атомов гелия, 5 – кислорода, 2 – азота, 1 – углерода, еще меньше остальных элементов. Из-за высоких температур атомы ионизированы и находятся в состоянии плазмы – смеси ионов и электронов. В зависимости от массы и химического состава протозвездного облака молодая звезда попадает на определенный участок диаграммы Герцшпрунга-Рессела, представляющей из себя координатную плоскость, по вертикальной оси которой откладывается светимость звезды (к-во энергии, излучаемой в единицу времени), а по горизонтальной – спектральный класс (цвет звезды, зависящий от температуры поверхности). При этом синие звезды горячее красных. Для удобства вся последовательность спектров разбита на несколько участков, или спектральных классов. Эти спектральные классы обозначаются латинскими буквами: O - B - A - F - G - K - M - L - T Спектры звезд двух соседних спектральных классов еще сильно отличаются между собой. Поэтому потребовалось введение более тонкой градации - разделения спектров внутри каждого спектрального класса на 10 подклассов. После этого разделения часть последовательности спектров будет выглядеть так: … - B9 - A0 - A1 - A2 - A3 - A4 - A5 - A6 - A7 - A8 - A9 - F0 - F1 - F2 - … (желтое Солнце имеет класс G2, то есть оно посредине диаграммы, с температурой поверхности 6000о). Для удобства вся последовательность спектров разбита на несколько участков, или спектральных классов. Эти спектральные классы обозначаются латинскими буквами: O - B - A - F - G - K - M - L - T Спектры звезд двух соседних спектральных классов еще сильно отличаются между собой. Поэтому потребовалось введение более тонкой градации - разделения спектров внутри каждого спектрального класса на 10 подклассов. После этого разделения часть последовательности спектров будет выглядеть так: … - B9 - A0 - A1 - A2 - A3 - A4 - A5 - A6 - A7 - A8 - A9 - F0 - F1 - F2 - … Большинство звезд на диаграмме располагается вдоль главной последовательности – плавной кривой, идущей из левого верхнего в правый нижний угол диаграммы. По мере расходования водорода, масса ее меняется, и звезда смещается вправо вдоль главной последовательности. Звезды с массами порядка солнечной находятся на главной последовательности 10-15 млрд. лет (Солнце на ней уже около 4,5 миллиарда лет). Постепенно энергия в центре звезды иссякает, давление падает. Поскольку гравитации оно не противостоит, ядро сжимается, и температура там опять возрастает, но реакции протекают теперь только на границе ядра внутри звезды. Звезда разбухает, растет и ее светимость. Она сходит с главной последовательности в правый верхний угол диаграммы, превращаясь в красный гигант с радиусом больше радиуса орбиты Марса. Когда температура сжимающегося гелиевого (ведь водород «выгорел») ядра красного гиганта достигнет 100-150 млн. градусов, начинается синтез углерода из гелия. Когда и эта реакция исчерпает себя, происходит сброс внешних слоев. Горячие внутренние слои звезды оказываются на поверхности, раздувая отделившуюся оболочку излучением в планетарную туманность. Через несколько десятков тысяч лет оболочка рассеивается, и остается небольшая очень горячая плотная звезда. Остывая, она переходит в левый нижний угол диаграммы и превращается в белый карлик с радиусом не больше радиуса Земли. Белые карлики – жалкий финиш нормальной эволюции большинства звезд.
Некоторые звезды время от времени вспыхивают, сбрасывая часть оболочки и превращаясь в Новые звезды. При этом они каждый раз теряют порядка сотой доли процента своей массы. Реже случаются катастрофы, уничтожающие звезду – вспышки сверхновых, при которых за короткое время излучается энергии больше, чем от целой галактики. При взрыве звезда сбрасывает внешнюю газовую оболочку (так возникла при взрыве сверхновой 1054 г. Крабовидная туманность внутри которой теперь находится «звездный огарок» - пульсар PSR0531, излучающий даже в гамма-диапазоне). Последняя сверхновая вспыхнула рядом в 1987 г., в Большом Магеллановом Облаке, в 60 килопарсеках от нас. От этой сверхновой впервые зарегистрировано нейтринное излучение. Если масса звезды, оставшейся после катастрофы превосходит солнечную в 2,5 раза, белый карлик образоваться не может. Гравитация разрушает даже структуру атомов. При этом, согласно законам физики, резко ускоряется вращение.
В 1963 г. были открыты таинственные квазизвездные объекты (квазары), представляющие собой компактные образования, размером со звезду, но излучающие, как целая галактика. В их спектре на сплошном фоне излучения видны яркие линии, сильно смещенные в красную сторону, что говорит о том, что квазары удаляются от нас с огромной скоростью (и расположены очень далеко от нашей галактики). Природа квазаров окончательно не объяснена. Вспомним, что, согласно гипотезе русского физика А.Кушелева, «красное смещение» имеет иную природу, для объяснения которой нет необходимости воображать себе Большой Взрыв (хотя и в этом случае квазары оказываются одними из древнейших объектов Вселенной). И все же именно взрывного варианта пока придерживается большинство исследователей.
Обыденное сознание никак не может привыкнуть даже к той картине мира, которую нарисовала наука к середине прошлого века, а открытия последних десятилетий уже заставляют её самым радикальным образом перерисовывать. За чредой всевозможных новостных сообщений научного характера специалистам бывает непросто уловить «сверкающий изумруд» по-настоящему великих открытий, способных коренным образом изменить наши представления об окружающем мире. Однако такие открытия совершаются, и одно из них это обнаружение в 1998 году так называемой «тёмной энергии». Если попытаться определить главное качество того, что было столь громко наречено, то можно сказать, что оно включает в себя, прежде всего, силы отталкивания, действие которых «противоположно» действию сил гравитации. В этом смысле можно говорить, что «тёмная энергия» есть антигравитация.
История её открытия весьма примечательна. Общепринято считать, что впервые представление об антигравитации ввёл Альберт Эйнштейн . Однако ещё в 1870-е годы Фридрих Энгельс в недописанной работе «Диалектика природы», иллюстрируя диалектический закон единства и борьбы противоположностей, писал, что природа, представленная одной притягивающей силой (гравитацией), неполна, и что для её полноты кроме силы притяжения должна существовать и сила отталкивания.
Как ни странно, соображения Эйнштейна были во многом сходными, и в 1917 году он ввёл в одно из уравнений своей теории слагаемое, названное им лямбда-членом и описывающее «силы» отталкивания. Без этого слагаемого уравнения его общей теории относительности не позволяли получить стационарного решения: пространство нашей Вселенной получалось обязательно либо расширяющимся, либо сжимающимся . Инерция мышления в начале ХХ столетия была ещё очень велика, поскольку всё предшествующее время, от седой древности, Вселенная в целом всегда рассматривалась как пусть даже и однажды созданный, но в дальнейшем стационарный объект. Эволюционирующее решение представлялось Эйнштейну физически бессмысленным, и он решил «уравновесить» гравитацию «силами» отталкивания.
Не прошло и десяти лет, как он согласился с идеей изменения Вселенной как целого и назвал введенный некогда лямбда-член самой большой ошибкой в своей жизни. Как известно, «гений не совершает ошибок », однако после того как не совершенная ошибка была уравновешена противоположной, реализация идеи антигравитации в физической теории попала «в долгий ящик». И только во второй половине ХХ столетия учёные вновь обратили на неё внимание.
К этому времени всё более становилась очевидной фундаментальная роль физического вакуума. И не только в физике микромира, но и в более крупномасштабных процессах, связанных с возникновением нашей Вселенной. В частности, создаваемая в послевоенные годы Фейнманом, Дайсоном и Швингером квантовая электродинамика давала бесконечное значение для энергии вакуума, и это обстоятельство долгое время считалось одной из главных сложностей теории. А в 19 60-е годы стали предприниматься первые попытки создания единой теории поля на основе идей спонтанного нарушения симметрии вакуума. Именно они привели в итоге к первому успешному объединению электродинамики с теорий слабых взаимодействий.
Идею «всё из вакуума» высказывали всегда, а теперь появились и какие-то веские аргументы. Эстонский академик Густав Наан (Gustav Naan) любил повторять «вакуум есть всё, и всё есть вакуум». Именно физический вакуум мог занять «вакантную ячейку» антигравитации, и с 70-х годов многие его рассматривали как основного кандидата на эту роль. Однако порядка двух десятилетий эти «разработки» носили сугубо теоретический характер, и только открытие 1998 года перевело их в практическую плоскость.
Приоритет открытия принадлежит двум независимым группам исследователей астрономов и астрофизиков. Первая находится в Северном полушарии (США), ею руководит Сол Перлмуттер (Saul Perlmutter), другая в Южном (Австралия), ею руководит Бриан Шмидт (Brian Schmidt). Наблюдая удалённые на очень большие расстояния (несколько миллиардов световых лет) сверхновые звёзды, учёные обнаружили, что эти звёзды имеют меньшую яркость, чем ожидалось. Подобный результат означал, что эти объекты удаляются от нас с ускорением, причину которого и назвали «тёмной энергией».
Отказ Эйнштейна от лямбда-члена завершил построение общей теории относительности. Дело стояло за её экспериментальным подтверждением, что удалось Эдвину Хабблу (Edwin Powell Hubble , 18891953), установившему, что галактики кажутся всякому наблюдателю разлетающимися со скоростями пропорциональными расстоянию до них . Было принято считать, что причиной их «разлёта» (правильнее сказать, расширения всего пространства) является так называемый «Большой Взрыв», который задаёт своеобразный «импульс» расширяющемуся пространству. Гравитация при этом играет роль некоторого «тормозящего фактора».
В описании этого вполне уместна аналогия растягивающегося резинового жгута. Растяжению (расширению) этого жгута можно поставить в соответствие расширение самого пространства, а силам, «пытающимся» вернуть жгут в исходное положение гравитационные силы. Очевидно, что под действием гравитации скорость расширения уменьшается, и даже может со временем смениться сжатием. Открытие 1998 года показала, что Вселенная расширяется ускоренно. А это могло означать только одно: во Вселенной присутствует некая «сила», причём более «мощная» чем гравитация, которая преодолевает тормозящее действие гравитации.
Разумеется, понятие «сила» в данном случае не корректно, поскольку в общей теории относительности, которая является одним из основных элементов теоретического фундамента современной космологии, в математическом формализме и смысловом содержании «силы», как таковые отсутствуют, и причиной движения является энергия. Поэтому данный феномен и получил название «энергия». Прилагательное «тёмная» к ней приложили потому, что она не наблюдаема и никаким другим способом, кроме как ускоренного расширения Вселенной, себя не проявляет.
Немного позднее, в начале нового века и тысячелетия удалось все же обнаружить и другие проявления существования «тёмной энергии». В частности, именно она вызывает анизотропию микроволнового реликтового излучение . Естественно, и это открытие не решило вопрос о природе темной энергии. Сказать, что первый «кандидат» на отождествление данного феномена с физическим объектом это физический вакуум, явно недостаточно. К тому же дальнейшие исследования заставили поставить это под сомнение даже это расплывчатое утверждение, вынудив учёных на поиски других «кандидатов».
Математически различие между формами материи выражается элементарно просто. Одним из уравнений, определяющих глобальную эволюцию Вселенной, является уравнение состояния каждой из этих форм, устанавливающее соотношение между её давлением и плотностью энергии (или количеством этой формы материи на единицу объёма). Давление всегда прямо пропорционально плотности. Иными словами, уравнение состояния выглядит следующим образом: Р = nE , где Р давление, а E плотность энергии.
Однако поведение материи зависит не столько от плотности как таковой, сколько от эффективной гравитирующей плотности, равной E + 3P . Все различные формы энергии отличаются друг от друга лишь коэффициентом n . При n = 1 будет физический вакуум, для него эффективная гравитирующая плотность окажется отрицательной, E + 3P = 2E , именно это обусловливает «силы» отталкивания. Физический вакуум «несёт ответственность» за Большой Взрыв, и из него появилась наша и другие вселенные. Если будет доказано, что тёмная энергия есть только физический вакуум, то это будет означать, что причины ускоренного расширения те же, что и породили нашу Вселенную.
Между тем, некоторые современные данные говорят, что феномен тёмной энергии целиком сводить только к физическому вакууму не вполне правомочно. Судя по последним данным, тёмную энергию более адекватно описывает многокомпонентная модель, где кроме физического вакуума присутствуют ещё несколько других составляющих. Одна из них так называемая квинтэссенция . Для неё n = 2/3. Физически она представляет собой ещё один, пятый вид взаимодействия (кроме уже известных четырёх: гравитационного, электромагнитного, сильного, слабого). Это достаточно специфическое состояние материи, но его природа, тем не менее, в общих чертах ясна это поле. Кроме того, составной частью тёмной энергии может являться и газ Чаплыгина так же уникальная, но теоретически понятная нам форма материи.
Однако может случиться и так, что этим «списком» составные тёмной энергии не исчерпываются, и в её состав входит ещё один компонент, так называемая фантомная энергия . Природа этой фантомной энергии совершенна не ясна, очевидно только, что это не вещество. Вполне вероятно, что её не удастся отождествить (как это удалось сделать с квинтэссенцией) с новым видом поля, и тогда можно будет говорить о том, что физики столкнулись с ещё одним, после вещества и поля, фундаментальным типом материи, и тогда это открытие с полным правом можно будет считать одним из самых выдающихся открытий в истории человеческой цивилизации.
Основной фундаментальной задачей современной физики как раз и является полное установление природы тёмной энергии. Для этого астрономы наблюдатели должны более точно установить коэффициент n у всех её слагаемых, а теоретики построить теоретическую модель, соответствующую этим наблюдательным данным. Когда и кем это будет сделано покажет время, однако не вызывает сомнения то, что нобелевский комитет ещё не раз объявит своих лауреатов в области физики с формулировкой «за исследования, связанные с установлением природы тёмной энергии».
И в заключение хотелось бы сказать ещё об одном. Систематические наблюдения показывают, что с ускорением движутся только те объекты, которые находятся от нас на расстояниях порядка восьми миллиардов световых лет. А это означает, что факторы, определяющие ускорение Вселенной, «вступили в игру» только приблизительно последние восемь миллиардов лет. Как поведёт себя Вселенная в будущем то же не совсем ясно. Факторы, определяющие это ускорение, могут действовать как некоторый промежуток времени, так стать и постоянными. В первом случае по окончании действия этих факторов ускорение сменится замедлением, и эволюция Вселенной в будущем будет определяться в рамках моделей, хорошо разработанных ещё в ХХ столетии. Если же факторы, определяющие ускорение, будут постоянными, то рано или поздно все вещественные сложные высокоорганизованные формы материи (в том числе и человек) «размажутся» по пространству, что, конечно же, несовместимо с их существованием. Однако вопрос о том, какой же сценарий реализуется в будущем, пока остаётся открытым.