Большой Взрыв - Вселенная - От плоской Земли до квазаров

Вселенная

От плоской Земли до квазаров
Главная


Земля


Солнечная система


Звезды


Галактика


Размеры Галактики


Другие галактики


Возраст Земли


Энергия Солнца


Типы звезд


Эволюция звезд


Взрывы звезд


Эволюция галактик


Удаляющиеся галактики


Наблюдаемая Вселенная


Начало Вселенной


Бомбардировка частицами


Фотоны большой энергии


Радиоастрономия


Окраины Вселенной



Большой Взрыв

Изменение шкалы расстояний Вселенной не только уничтожило ненормальный гигантизм нашей Галактики, но и в значительной степени уменьшило другое, еще более серьезное несообразие.
Во второй четверти XX в. астрофизики и геологи вновь разошлись в оценке возраста Земли, как это уже было однажды почти 100 лет назад, во времена Гельмгольца.
Расхождение вновь возникло из-за явления, которое как будто не причиняло особых хлопот в приложении к настоящему и будущему, но вызывало серьезные трудности, когда его пытались проследить в прошлом. Во времена Гельмгольца это было предполагаемое сжатие Солнца, а во времена Хаббла — расширение Вселенной.
Если попробовать заглянуть в будущее, исходя из предположения, что галактики будут вечно удаляться друг от друга так же, как теперь, никаких непреодолимых трудностей не возникнет. Каждая галактика вне нашей Местной Группы будет продолжать удаляться с непрерывно возрастающей скоростью, пропорциональной непрерывно возрастающему расстоянию. Свет галактик будет становиться все слабее и слабее и из-за роста расстояния и из-за увеличения красного смещения и вызываемого им уменьшения энергии света. Постепенно все они приблизятся к пределу наблюдаемой Вселенной и исчезнут для нас. Вся наблюдаемая Вселенная будет тогда исчерпываться Местной Группой.
Такое будущее может показаться исполненным одиночества, но ведь мы потеряем только объекты, невидимые невооруженным глазом, объекты, о существовании и подлинной природе которых мы узнали только за последние 50 лет. Таким образом, потеря для неастрономов будет не так уж велика. Кроме того, случится это еще очень нескоро — через 100 или больше миллиардов лет, — а тем временем успеют произойти события, касающиеся нас гораздо ближе. Наше Солнце уже превратится в белого карлика, а наша планетная система станет необитаемой, даже если предположить, что она благополучно переживет тот период, когда Солнце будет красным гигантом. Все звезды, которые сейчас больше и ярче красных карликов, без сомнения, станут белыми карликами, и все галактики достигнут глубокой старости. Возможно, возникнут новые звезды, но через сотню миллиардов лет запасы газа и пыли сократятся до минимума и такие новые звезды будут большой редкостью. Кроме того, эти последние новые звезды, возможно, будут создаваться из газа, настолько насыщенного сложными атомами (рассеянными в пространстве сотнями миллионов Сверхновых, которые успеют вспыхнуть за этот срок), что запасы водорода в них будут ненормально малы, а потому срок их жизни будет весьма краток.
Однако, если такое будущее и выглядит мрачно, оно в общем не противоречит принятым научным воззрениям и не ставит перед астрономами никаких серьезных проблем. Нельзя ждать, чтобы Вселенная считалась с человеческими эмоциями. Она может состариться и умереть, не замечая сожалений человека, а ее большие компоненты могут продолжать удаляться друг от друга даже после того, как галактики догорят и превратятся в угольки белых карликов.
Но попробуем оглянуться в прошлое. Попробуем прокрутить фильм о расширении Вселенной в обратную сторону. В этом случае нам придется представить себе, как отдельные галактики сближаются с определенными скоростями, и этот процесс не сможет продолжаться вечно. В конце концов галактики должны будут встретиться. Если закон Хаббла верен и каждая галактика будет двигаться к центру со скоростью, пропорциональной ее расстоянию от отдельной галактики (например, нашей), взятой в качестве точки отсчета, то Вселенная станет сжиматься и все галактики должны будут одновременно встретиться в каком-то месте.
Следовательно, в какой-то момент прошлого все вещество и энергия Вселенной должны были существовать в виде единого гигантского сгустка. В этот момент прошлого (в «нуль-пункт времени») Вселенная никак не могла быть такой, как теперь, известная нам Вселенная могла возникнуть только после этого нуль-пункта времени, и этот нуль-пункт можно, собственно говоря, считать началом нашей Вселенной.
Исходя из расстояний, разделяющих сейчас галактики, и скорости, с которой Вселенная расширяется в настоящее время, можно вычислить этот нуль-пункт времени. Согласно шкале расстояний, принятой с 1925 по 1952 г. он имел место примерно 2 000 000 000 лет назад.
Два миллиарда лет — срок долгий; бесспорно, более долгий, чем те 20 миллионов лет, которые приписывал Земле Гельмгольц. Однако 2 миллиарда лет — это слишком мало для геологов, и они были в полной растерянности. Как можно утверждать, что 2 миллиарда лет назад Вселенная существовала в виде единого сгустка и что все галактики образовались уже после этого момента, раз сама Земля, согласно расчетам, основанным на превращении урана в свинец, вдвое старше?
Земля просто не могла быть вдвое старше всей Вселенной. Что-то было неверно то ли с относительным содержанием урана и свинца, то ли с постоянной Хаббла.
На этом дело и остановилось, пока исследования Бааде не показали, что неверен был масштаб расстояний во Вселенной, из-за чего астрономы прежде приняли очень завышенную величину для постоянной Хаббла. Вновь правы оказались геологи и неправы астрономы. Новая шкала расстоянии Вселенной позволила заключить, что нуль-пункт времени отделен от нас 13 миллиардами лет.
Если эта цифра и не отвечает действительности, то сна скорее преуменьшена измеряя возраст звездных скоплений, астрономы иногда получают такие цифры, как 10 миллиардов лет или даже 25 миллиардов лет Однако никто не станет утверждать, что сейчас постоянная Хаббла определена окончательно или что точно определен возраст звездных скоплений. Поэтому было бы преждевременно начинать спор из-за того, когда именно был нуль-пункт времени, и пока достаточно только сказать, что нуль-пункт времени, если он когда-нибудь был, отделен от нас по крайней мере 15 миллиардами лет и что солнечная система образовалась где-то на протяжении этого периода.
Но что произошло в нуль-пункт времени? Первым всерьез занялся этим вопросом бельгийский астроном Жорж Эдуард Леметр (1894—1966). В 1927 г. он высказал предположение, что в нуль-пункт времени вещество и энергия Вселенной были в самом деле сдавлены в единую гигантскую массу. Он назвал ее «космическим яйцом», потому что из нее образовался космос (синоним слова «Вселенная»)
«Космическое яйцо» было неустойчиво, и произошел самый гигантский и катастрофический взрыв, какой только можно вообразить ведь выброшенные этим взрывом осколки стали галактиками, которые разлетелись во всех направлениях. Последствия этого взрыва сказываются и поныне: мы наблюдаем их в виде разбегания галактик и скоплений галактик друг от друга.
Если различные осколки «космического яйца» были выброшены с различными скоростями (в зависимости от того, в какой части «яйца» первоначально находился данный осколок и насколько он затормозился от столкновений с другими осколками), тогда те, которые сохранили высокие скорости, естественно, должны были постоянно удаляться от тех, которые вышли из этого процесса с низкими скоростями. Это, утверждал Леметр, и привело к нынешнему положению, когда галактики удаляются друг от друга со скоростью, прямо пропорциональной расстоянию (Кроме того, возможно, что если «космическое яйцо» и не обладало моментом количества движения, некоторые его осколки приобрели в результате взрыва положительный момент количества движения, а другие— отрицательный, так что общая их сумма равна нулю.)
Леметровская модель Вселенной — это физическая аналогия теоретической модели де Ситера. Вселенная де Ситтера расширялась просто потому, что это соответствовало разработанным Эйнштейном уравнениям. Модель же Леметра расширялась вследствие физического явления —взрыва, который отличался от взрыва шутихи на Земле своими размерами, но не природой. Леметровекая модель легка для понимания, она конкретна, эффектна и опирается на привычные представления. Эддингтон принял ее и широко популяризовал, а после него ее восторженным сторонником стал американский астрофизик русского происхождения Джордж Гамов (1904—1967). Имея в виду первоначальный взрыв, Гамов назвал леметровскую модель Вселенной теорией Большого Взрыва, хотя ее можно было бы назвать и более скромно теорией взрывающейся Вселенной.
Естественно, не может не вызвать интереса природа «космического яйца». Из чего оно состояло? Каковы были его свойства?
Пожалуй, мы получим об этом некоторое представление, если проследим (мысленно) развитие Вселенной вперед и назад во времени. В настоящий момент Вселенная, по-видимому, состоит, грубо говоря, из 90% водорода, 9% гелия и 1% более сложных атомов. По мере последовательною развития Вселенной водород в недрах звезд непрерывно превращается в гелий, а гелий — в более сложные атомы. Если мы проследим развитие Вселенной в обратном направлении, количество гелия и более сложных атомов будет уменьшаться, а количество водорода — увеличиваться. Следовательно, можно ожидать, что в период, близкий к нуль-пункту времени, Вселенная будет состоять из одного водорода или почти из одного водорода.
Но ведь по мере того, как мы наблюдаем развитие Вселенной в обратном направлении, ее вещество и энергии концентрируются во все более тесном пространстве В нуль-пункт времени весь существующий водород должен быть максимально сконцентрирован все составляющие его частицы прижаты друг к другу настолько тесно, насколько это возможно.
Атом водорода состоит только из двух частиц: центральный протон несет положительный электрический заряд, а внешний электрон отрицательный электрический заряд. До тех пор пока эти частицы существуют раздельно, имеется предел, дальше которого сжатие определенной массы водорода невозможно. Однако можно считать, что если этот критический предел будет превзойден, электроны и протоны вдавятся один в другой и образуют массу не имеющих электрического заряда частиц, которые называются нейтронами Такая масса предельно сжатых нейтронов иногда называется нейтронием (хотя Гамов употребляет термин «илем» — латинское название вещества, из которого образовалась вся материя). Она должна иметь плотность примерно 1 000 000 000 000 000 г/см3 и быть гораздо плотнее самого плотного из известных белых карликов.

Рис. Теория Большого Взрыва

 
< Пред.