Амбарцумян

Универсальность закона всемирного тяготения Ньютона получила подтверждение в работах Уильяма Гершеля [13] по исследованию двойных звёзд, вращающихся одна вокруг другой. Гершель наметил общую форму нашей Галактики, оценив её размеры, и сделал вывод, что она является одним из многочисленных звёздных «островов» во Вселенной.

Нестационарность расширяющейся Вселенной и теория Большого взрыва

После открытия Гершелем галактик одной из насущных проблем космогонии стала проблема расстояний до них. Первоначально для определения расстояний до галактик астрономы изучали в этих галактиках новые звёзды и цефеиды. Однако фундаментальному решению этой проблемы способствовало появление в XIX веке спектральных методов исследования. Её решил в 1920 году американский астроном Эдвин Хаббл [14] , анализируя смещения спектральных линий далёких галактик. Он установил прямую пропорциональность красного смещения (смещения спектральных линий в сторону длинных волн) скорости удаления галактик, а также и расстояния до них (закон Хаббла). Этот закон является одним из фундаментальных законов астрономии. Он же с помощью наблюдений установил факт разбегания галактик. Оказалось, галактики удаляются со скоростями, пропорциональными их расстояниям от нас. Это означает, что если одна из них расположена от нас в сто раз дальше, чем другая, то она удаляется от нас в сто раз быстрее, чем первая.

13

Уильям (Фридрих Вильгельм) Гершель (1738–1822) — выдающийся английский астроном немецкого происхождения. Основные труды по звёздной астрономии.

14

Эдвин Пауэлл Хаббл (1889–1953) — знаменитый американский астроном. Труды по изучению галактик.

Таким образом, Хабблом было установлено, что Вселенная не статична, а находится в состоянии расширения.

Сравнение расстояний, измеренных различными методами, подтвердило безукоризненную точность метода определения расстояний по величине красного смещения спектров звёзд. Современная астрофизика при определении расстояний пользуется в основном этим методом, особенно для самых далёких объектов, находящихся на «краю» Вселенной.

Современные крупные наземные и орбитальные телескопы способны прощупать край Вселенной, простирающийся почти до двадцати миллиардов световых лет, и измерить скорость самого далёкого, быстро удаляющегося объекта, приближающуюся к скорости света (300 ООО км/с), но не превышающую её. Блез Паскаль, блестяще опередив своё время, прекрасно сказал: «Не огромность мира вызывает восхищение, а человек, который измерил её».

Неоспоримый факт расширения Вселенной многими исследователями был принят в штыки. Долгое время упорно отвергал возможность расширения Вселенной Альберт Эйнштейн, так как это противоречило его теоретическим исследованиям.

Естественно, заманчиво «пустить» мысленно расширение Вселенной в обратном направлении и проследить эволюцию Вселенной во времени в прошлое (экстраполяция назад). Несмотря на то, что при этом возникает масса сомнений, такой подход создаёт некую полезную методическую наглядность в представлении возможной картины происхождения и эволюции Вселенной.

Тогда мы можем по измеренному расширению Вселенной (разбеганию галактик) прийти к тому, что примерно 20 миллиардов лет назад Вселенная была сосредоточена в малом сверхплотном теле и в результате его катастрофического взрыва образовалась наша Вселенная. Это — так называемая теория Большого взрыва. Впервые об этом догадался блестящий физик XX века Георгий Гамов. Этой теории отдаётся сейчас большее предпочтение, чем альтернативным теориям. Она действительно даёт сравнительно удовлетворительную схему для объяснения многого из того, что наблюдают астрономы. Итак, будем считать, как общепринято в научной литературе, что Вселенная (точнее её наблюдаемая часть — Метагалактика) возникла 20 миллиардов лет назад. Вначале она была невероятно горячей и плотной. Температура и давление были столь высоки, что она взорвалась, и осколки взрыва всё ещё разлетаются. Астрономы рассчитали подробные варианты развития Большого взрыва и в целом согласны с этой картиной, но всё ещё серьёзно расходятся в массе вопросов.

Многие до сих пор считают, и не безосновательно, что Вселенная имеет бесконечную историю, а её расширение, возможно, является просто иллюзией. Однако открытие в 1960-х годах реликтового излучения в известной степени подтвердило расширение Вселенной. В настоящее время современная физика пытается доказать гипотезу Большого взрыва.

Для наглядности процесс Большого взрыва делится на отдельные этапы — эры.

В первую мельчайшую долю секунды происходили флюктуации времени, вызванные тем, что физики называют квантовой природой мелких частиц. Что это такое, объяснить очень сложно, но смысл состоит в том, что если вы хотите оценить состояние вещества в момент, когда время точно соответствовало нулю, то вы ничего об этом сказать не можете, так что вопрос повисает в воздухе. К счастью, эта неразбериха продолжалась лишь очень короткий период (10^{– 44} секунд). Мы ничего не можем сказать о Вселенной в это краткое мгновение. Этот, такой короткий период времени в начале Вселенной является первой из пяти эр, на которые мы можем разделить историю Вселенной. Первая эра хаоса была самой короткой и самой загадочной. Но сразу же после её окончания началась новая эра, названная эрой элементарных частиц — адронов. Этот период продолжался значительно дольше и проходил в условиях, которые астрофизики смогли рассчитать, понять и описать. Плотность вещества Вселенной в начале эры адронов составляла 10⁹⁴ граммов на кубический сантиметр — невероятная, невообразимо высокая плотность. Можно вычислить и температуру в начале эры адронов, и результаты этих вычислений приводят к значению в 10³³ градусов.

Элементарные частицы нельзя разделить на ещё меньшие. Физики открыли, что в природе существует множество разнообразных элементарных частиц и что при необычайно высоких температурах и плотности должно встречаться бесконечное количество их видов. Это ещё новая и плохо разработанная часть фундаментальной физики. К адронам относятся те частицы, которые сильно взаимодействуют друг с другом. Именно адроны представляли собой частицы, которые доминировали в первичном огненном шаре во время эры адронов, как по количеству, так и по активности. В течение периода распада адронов кванты излучения (фотоны) в первичном огненном шаре были фантастически энергичными, а по мере расширения теряли свою энергию, и температура упала до 10¹² градусов. Плотность в конце эры адронов составляла 10¹⁴ г/см³. Весь период адронов был чрезвычайно мал: всё произошло за 1/10 000 секунды.

Следующий этап в истории Вселенной длился значительно больше — целых 10 секунд. Он называется эрой лептонов. Понятие лептонов объединяет электроны, как обычные отрицательные, так и положительные (позитроны) и другие менее тяжёлые частицы. В итоге во Вселенной осталось очень мало тяжёлых частиц, и существенной составляющей развивающейся Вселенной были по-прежнему высокоэнергичные фотоны. В конце десятой секунды температура упала в 100 раз до 10 миллиардов градусов. Плотность понизилась до 10 000 г/см³, а количество электронов, игравших в эту эру основную роль, стало примерно равным количеству нейтронов и протонов. Так наступил конец эры лептонов.

Во время четвёртого периода излучение одержало победу над веществом. Его называют эрой излучения, потому что Вселенная была наводнена фотонами, и плотность излучения превосходила плотность вещества. Это был гораздо более длинный период, чем предшествующие, и длился он миллион лет от Большого взрыва. За это время температура понизилась с 10 миллиардов до примерно 3000 градусов. А плотность упала до 10^{– 21} г/см³. Конец этой эры наступил тогда, когда плотность излучения стала меньше плотности вещества. В это время протоны, нейтроны и электроны стали объединяться, образуя атомы, и начало появляться вещество в том виде, в каком мы его знаем. Вещество и свет разъединились, так что они больше не взаимодействовали друг с другом. Наступила эра вещества. Она началась через миллион лет после Большого взрыва, продолжается до сих пор и ещё не окончилась. Сейчас излучение равномерно распределено по всей Вселенной, и, что сразу бросается в глаза, вещество собрано в скопления звёзд и галактик. Если атомы водорода и гелия, самых лёгких химических элементов, образовались во время эры излучения, то другие элементы, хорошо теперь нам знакомые и входящие в состав наших организмов, возникли только в эру вещества.

Механизмы, благодаря которым водород и гелий во Вселенной объединились, образовав звёзды и галактики, до сих пор до конца не ясны. Было предложено много теорий с подробными расчётами того, как большие газовые сферы конденсируются во вращающиеся объекты типа галактик, состоящие из звёзд. Но окончательной уверенности эти умозрительные теории не внушают.

Хотя мы называем эпоху, в которую мы живём, эрой вещества, во Вселенной всё же ещё значительно преобладает излучение. В то время как средняя плотность вещества в современной Вселенной составляет примерно 10^{– 31} г/см³, средняя плотность фотонов во Вселенной достигает 1000 г/см³. На каждую ядерную частицу приходится миллиард фотонов и миллиард нейтрино. Эти нейтрино, обладая фактически скоростью света, несутся во Вселенной, не оказывая практически никакого влияния на вещество. Нейтрино, образовавшиеся в раннюю эпоху, преимущественно в эру лептонов, и уже в то время потерявшие всякую связь с остальной Вселенной, встречаются в количестве, соответствующем прохождению 10¹³ частиц в секунду через один квадратный сантиметр.

Мы вкратце изложили историю Вселенной, как её видит современная физика. Следует помнить, что излагаемая чрезвычайно сложная теория основывается на таких последних результатах физики, которые ещё не вышли из стадии экспериментальной проверки. Более того, она связана с малоизвестными физическими свойствами материи.

Сегодня большинство астрономов принимают космологическую теорию Большого взрыва в качестве описания развития доступной нам Вселенной, начиная с эпохи ядерного синтеза, когда возраст Вселенной составлял около одной минуты. Но, когда речь идёт о более ранних моментах существования Вселенной, рассуждения уже выходят за пределы области знаний современной физики.

Теория Большого взрыва не разрешила трёх фундаментальных проблем: что было до начального момента, какова природа сверхплотного первоначального объёма — сингулярной «точки» — и каким образом сформировались галактики? На последний вопрос попытался ответить В. А. Амбарцумян, обнаружив активные процессы в ядрах галактик.

Окончательное слово в этом сложном вопросе за будущими поколениями астрономов. О несостоятельности экстраполяционных методов в исследовании эволюции Вселенной говорит то обстоятельство, что физические процессы и, следовательно, законы физики, начиная от сингулярной точки (если она действительно существовала) до развитой Вселенной, тоже могли меняться, но неизвестным нам образом. Таким образом, механической экстраполяцией назад, без учёта качественной эволюции материи, эту сложную проблему так просто решить не удастся. Это дело будущего.