Куда расширяется Вселенная
Думаю, что все уже слышали, что Вселенная расширяется
,
и часто мы её представляем, как огромный шар, наполненный Галактиками и туманностями, который увеличивается из какого-то меньшего состояния и закрадывается мысль, что в начале времён Вселенная
вообще была зажата в точечку.
Тогда возникает вопрос, а что же находится за границей , и куда Вселенная расширяется ? Но, о какой границе идёт речь?! Разве Вселенная не бесконечна?! Всё-же попробуем в этом разобраться.
Расширение Вселенной и сфера Хаббла
Давайте представим, что наблюдаем в суперогромный телескоп, в которой видно, что угодно во Вселенной
. Она расширяется и её галактики удаляются от нас. Причём, чем пространственно дальше относительно нас находятся они, тем быстрее галактики удаляются. Давайте посмотрим всё дальше и дальше. И на каком-то расстоянии выяснится, что все тела удаляются относительно нас со световой скоростью. Так образуется сфера, которая называется, сфера Хаббла
. Сейчас до неё чуть менее 14 млрд.св.лет
, и всё за её пределами улетает относительно нас быстрее света. Казалось бы, что это противоречит Теории Относительности
, ведь скорость не может превышать световую. Но нет, ведь тут речь не о скорости самих объектов, а о скорости расширения пространства
. А это совсем другое и она может быть какой угодно.
Но мы можем посмотреть и дальше. На некотором расстоянии объекты удаляются настолько быстро, что мы их вообще никогда не увидим. Фотоны, испущенные в нашу сторону просто никогда не достигнут Земли. Они словно человек, идущий против движения эскалатора. Будут уноситься назад быстро расширяющимся пространством. Граница, где такое происходит, называется Горизонтом частиц
. Сейчас до него около 46,5 млрд.св.лет
. Расстояние это увеличивается, ведь Вселенная расширяется
. Это граница, так называемой, Наблюдаемой Вселенной
. И всё за пределами этой границы, мы никогда никогда не увидим.
И вот тут вот самое интересное. А что же за ней? Может быть, это и есть ответ на вопрос?! Оказывается всё очень прозаично. На самом-то деле никакой границы нет. И там на миллиарды миллиарды километров простираются такие же Галактики, звёзды и планеты.
Но как?! Как так получается?!
Центр расширения вселенной и горизонт частиц
Просто Вселенная
разлетается довольно хитро. Это происходит в каждой точке пространства одинаково. Словно мы взяли координатную сетку и увеличиваем её масштаб. От этого и правда кажется, что все Галактики удаляются от нас. Но, если вы переместимся в другую Галактику, то увидим эту же картину. Теперь все объекты будут удаляться от неё. То есть, в каждой точке космоса будет казаться, что мы находимся в центре расширения
. Хотя никакого центра нет.
Поэтому, если мы окажемся рядом с Горизонтом частиц
, соседние Галактики не будут разлетаться от нас быстрее скорости света. Ведь Горизонт частиц
переместиться вместе с нами и опять окажется очень далеко. Соответственно, сместятся границы Наблюдаемой Вселенной
и мы увидим новые Галактики, ранее недоступные для наблюдения. И такую операцию можно проделывать бесконечно. Можно раз за разом перемещаться к горизонту частиц, но тогда он сам будет смещаться, открывая взору всё новые просторы Вселенной
. То есть, мы не достигнем ее границ никогда, и получается, что Вселенная
и правда бесконечна
. Ну, а границы есть только у наблюдаемой ее части.
Что-то похожее происходит и на Земном шаре
. Нам кажется, что горизонт — это граница земной поверхности, но стоит переместиться в ту точку и окажется, что никакой границы то нет. У Вселенной
нет предела, за которым отсутствует пространство-время
или что-то типа такого. Просто здесь мы наталкиваемся на бесконечностью
, которая для нас непривычна. Но можно сказать так, Вселенная
всегда была бесконечной и растягивается продолжая оставаться бесконечной. Она может это делать потому, что у пространства нет мельчайшей частицы. Оно может растягиваться сколь угодно долго. Вселенной, для расширения, не нужны границы и области куда расширяться. Так, что этого куда просто не существует.
Так подождите-ка, а как же Большой Взрыв ?! Разве всё, что существует в космосе не было сжато в одну малюсенькую точечку?!
Нет! Сжата в точечку была лишь наблюдаемая граница Вселенной
. А вся в целом она никогда не имела границ. Чтобы понять это, давайте вообразим себе Вселенную
через миллиардные доли секунды после , когда наблюдаемая её часть была размером с баскетбольный мяч. Даже тогда мы можем перемещаться к Горизонту частиц
и вся видимая Вселенная
будет сдвигаться. Мы можем проделывать это сколько угодно раз и окажется, что Вселенная
действительно бесконечна
.
И мы можем проделывать тоже самое и раньше. Таким образом, перемещаясь во времени назад, мы окажемся всё ближе к Большому Взрыву
. Но при этом, каждый раз мы будем обнаруживать, что Вселенная бесконечна
в каждый период времени! Даже в мгновение
Большого Взрыва! И получается, что он случился не в какой-то конкретной точечке, а повсюду, в каждой точечке, не имеющего предела Космоса.
Однако, это только теория. Да, достаточно согласованная и логичная, но не лишённая недостатков.
В каком состоянии находилось вещество в мгновение Большого Взрыва ? Что было до него и почему он вообще произошел? Пока что, на эти вопросы чётких ответов нет. Но научный мир не стоит на месте, и может быть даже мы станем очевидцами разгадки этих тайн.
Как расширяется Вселенная
Юрий Ефремов, доктор физико-математических наук
Российские ученые показали, что расширением Вселенной управляет физический вакуум, обнаруженный в 1998 г. по астрономическим наблюдениям. Это неожиданное открытие открывает новые пути для развития естествознания и понимания самых глубоких закономерностей окружающего нас Мира.
Решает ли фундаментальная наука стоящие перед человечеством проблемы или же приводит только к новым опасностям? - ответ на этот вопрос зависит от того, насколько далеко вперед способен заглянуть человек. Все блага цивилизации мы принимаем как данность, но все они, как и успехи медицины, явились итогом многих десятилетий и веков работы ученых, занимавшихся пустячными на взгляд обывателя занятиями, вроде наблюдений за звездами или за жизнью каких-то козявок. Применение результатов науки, неконтролируемое учеными, принесло и много тяжелых проблем, но теперь лишь дальнейшее развитие науки способно нас от них избавить, равно как и дать новые источники энерги и, спасти от вызовов будущего, - таких, как новые эпидемии или природные катаклизмы.
Развитие естествознания, рано или поздно приносящее плоды, необходимые для дальнейшего существования нашей цивилизации, возможно только если равномерно развиваются все его отрасли, сколь далекими они не казались бы от теперешних человеческих нужд. Исследования ядер атомов казались до 1939 г. никчемной тратой денег; немногочисленные исследователи занимались этой проблемой только потому, что хотели знать, как устроен мир. Эта любознательность остается движущей силой науки; проблемы, которые встают перед ней, определяются внутренней логикой ее развития.
Астрономия, казалось бы, относится к самым отвлеченным от жизни занятиям, особенно теперь, когда уже ни летчики, ни моряки не нуждаются в ее услугах. Однако напомним слова Эйнштейна: "Интеллектуальные орудия, без которых было бы невозможно развитие современной техники, пришли в основном от наблюдения звезд". В последние годы развитие теор етической физики (которая в ХХ веке одарила нас не только бомбой, но и лазерами и всевозможной электроникой...) стало еще более тесно связано с успехами астрономии. А в этой науке в самом конце ХХ века началась настоящая революция, о которой еще мало знает широкая публика. (О ней расказывается в двух вышедших недавно книгах сотрудников ГАИШ МГУ: Ю.Н.Ефремов, "Вглубь Вселенной", М., УРСС, 2003; А.М.Черепащук, А.Д.Чернин, "Вселенная, жизнь, черные дыры", М., Век-II, 2003).
Когда-нибудь - может быть через несколько лет, а может быть лишь через многие десятилетия - и эта революция принесет человечеству плоды, об истоках которых к тому времени позабудут, как забыты почти всеми истоки нашего нынешнего городского комфорта. Впрочем, у человека существуют ведь и духовные потребности. Давно сказано, что он отличается от некоторых животных и тем, что способен иногда поднимать голову к небу и обращать взор на звезды...
В этой статье мы расскажем о вкладе российских ученых в развитие космологии последних лет, которое привело к радикальному изменению наших представлений о Вселенной. Космология, наука о Вселенной в целом, стоящая на стыке физики
и астрономии, родилась одновременно с общей теор ией относительности. Из ее уравнений, написанных Альбертом Эйнштейном в 1916 г. первоначально следовало, что Вселенная не может быть статичной, она должна расширяться или сжиматься.
Однако испокон веков философы были уверены в том, что Космос, Вселенная в целом, вечен и неизменен. Не было и никаких наблюдательных данных, которые позволяли бы в 1916 г. говорить о расширении Вселенной - да собственно говоря и Вселенная еще не была открыта. Эйнштейн считал, что она населена звездами, и наша система Млечного пути охватывает всю Вселенную. Больших скоростей движения звезд не наблюдалось, и это давало ему и эмпирическ ие основания добавить в свои уравнения еще один член - космологическую постоянную, которая должна сделать Вселенную статичной.
Однако уже в 1925 г. стало окончательно ясно, что наша звездная система является лишь одной из бесчисленных таких систем - галактик, населяющих огромную Вселенную (Рис. 1). Высокие скорости движения по лучу зрения у галактик уже были известны - линии в спектрах далеких галактик были неизменно сдвинуты в красную сторону. Это было следствием эффекта Допплера, который вызывает смещение спектральных линий в длинноволновую (красную) сторону при удалении от нас наблюдаемых объектов, и в синюю сторону - при их приближении.
К 1929 г. благодаря работам Эдвина Хаббла и Милтона Хьюмасона на величайшем тогда в мире 2,5-м телескопе на горе Вилсон в Калифорнии стало окончательно ясно, что существует пропорциональность между скоростями удаления галактик и их расстояниями от нас (на самом деле увеличиваются, конечно, все расстояния между всеми галактиками) - Вселенная расширяется (Рис. 2). Необходимость в космологической постоянной, какзалось бы, отпала - Вселенная действительно оказалась нестатичной. Расстояния галактик R представляются формулой R = Ht, где t - время и H - константа, названная позднее постоянной Хаббла.
После этого открытия Эйнштейн назвал введение космологической постоянной своей самой грубой ошибкой. И вплоть до конца ХХ века крупнейшие физики были убеждены в том, что в этой постоянной нет необходимости - она равна нулю. Только теперь мы начинаем понимать, что ошибочным у Эйнштейна было лишь придание космологической постоянной значения, необходимого именно для статичности Вселенной. Существование некоей силы, наряду с обычным тяготением управляющей динамикой Вселенной, было недавно доказано. После открытия расширения Вселенной (в 1929 г.) и реликтового излучения, оставшегося от первых тысячелетий расширения Вселенной (в 1965 г.), это крупнейшее достижение в наблюдательной астрономии и космологии. Сравнить с ним можно только доказательство наличия сверхмассивных черных дыр в ядрах галактик.
Выбор между космологическими моделями, описывающими Вселенную в целом можно сделать при сравнении с наблюдениями теор етических зависимостей между красным смещением и расстояниями далеких объектов с известной светимостью: при больших красных смещениях должны появиться особенности, которые должны сказать - ускоренно, равномерно или замедленно идет расширение Вселенной. И это в принципе может дать величину космологической постоянной.
Основная трудность в применении этого способа связана с необходимостью иметь надежные данные о максимально далеких объектах с известной светимостью - и в определении этой светимости и тем самым расстояний. Долгое время единственными объектами, вроде бы удовлетворяющими этим требованиям оставались ярчайшие галактики в богатых скоплениях, светимость которых можно считать примерно одинаковой. Однако оставались серьезные проблемы, связанные в частности с тем, что наиболее далекие галактики мы видим на миллиарды лет более молодыми, чем галактики наших окрестностей (Рис. 3).
Конечно, еще более серьезной оставалась проблема начала расширения - экстрапол яция его назад приводит к выводу, что миллиарды лет назад все вещество Вселенной было сосредоточено в точечном объеме. Сам Хаббл испугался этого непреложного вывода из своего открытия и считал возможным старение фотонов - уменьшение их энерги и (и стало быть увеличение длины волны) на их пути из глубин Вселенной. Однако это предположение влечет ряд следствий, которые не согласуются ни с теор ией, ни с наблюдениями.
На фоне этой сверхпроблемы долгое время оставалась незамеченной другая. Согласно существовавшей теор ии, космологическое расширение в однородном и изотропном мире происходит по линейному закону, если мы мы уходим на расстояния, на которых скорость этого расширения пространства превышает скорости галактик, обусловленные их движением при гравитационном взаимодействием с соседними галактиками. Хаббл располагал данными лишь до расстояний (в современной шкале) около 20 Мегапарсек (~60 тысяч световых лет), самые далекие его галактики были членами скопления галактик в созвездии Девы. Тем не менее Хаббл нашел, что скорости удаления галактик линейно зависят от расстояния, хотя мы знаем теперь, что однородность распределения галактик в пространстве и изотропность их скоростей наступают лишь на масштабах 100 - 300 Мегапарсек. И вот оказывается, что и на этих расстояниях постоянная Хаббла имеет ту же величину, что и на расстояниях в 2 - 20 Мегапарсек.
Лишь в 1972 г. парадоксальность этого обстоятельства отметил крупнейший американский астроном Аллан Сендидж, ученик Хаббла. Он подчеркнул также необходимость объяснения другой странности - наличие скоплений галактик, внутри которых они быстро двигаются, не вызывает большого разброса в положении галактик вокруг средней линии зависимости красного смещения от расстояния. В статье, опубликованной в 1999 г., Сендидж нашел, что локальное и глобальное значения постоянной Хаббла совпадают с точностью не хуже 10%.
Аналогичные результаты по еще более точным данным были получены недавно И.Д.Караченцевым и его группой с помощью наблюдений на 6-м телескопе Специальной астрофизической обсерватории РАН и на Космическом телескопе им. Хаббла (Рис. 4). Измеренная Караченцевым и соавторами постоянная Хаббла по данным о галактиках на расстояниях до 8 Мегапарсек оказалась такой же, как и по данным для самых далеких галактик. Объяснить этот парадокс Сендидж не мог и заключил, что "мы так и остаемся с этой тайной". Правда, уже в 1972 г. он подозревал, что постоянство расширения Вселенной на всех масштабах обусловлены глубокими космологическими причинами. И это было правильной догадкой.
В 90-ые годы стало выясняться, что гораздо лучшими, чем ярчайшие галактик в скоплениях, "стандартными свечами" могут служить Сверхновые типа Ia. Это звезды, вспыхивающие на несколько дней или недель столь ярко, что становятся сравнимыми по блеску с целой галактикой. Явление сверхновых типа Ia происходит в тесных системах, состоящих из двух плотных звезд - белых карликов при обмене веществом между компонентами системы (Рис. 5).
Попытки использовать сверхновые этого типа для целей космологии начались довольно давно, но наблюдательных данных нехватало. Проблема состояла в трудности получения наблюдательного времени на больших телескопах. Комитеты, распределяющие время этих телескопов, раньше терпеть не могли заявки на работы типа поисков, слежения, обзоров; большие телескопы ведь предназначены для изучения уникальных объектов...
Успех пришел к 1997 г. одновременно к двум командам. Одна из них была сформирована в 1988 г. в Национальной лаборатории им. Лоуренса в США и состояла в основном из физиков, ее возглавил С.Перлмуттер; другую команду, из астрономов, возглавил в 1994 г. Б.Шмидт, работавший на Обсерваториях Маунт Стромло и Сайдинг Спринг в Австралии. Эти команды получили доступ к 4-м телескопам на этой обсерватории и на Серро Тололо, а позднее и к Хаббловскому Космическому телескопу и 10-м телескопу Кека на Гавайских островах; на последнем получались спектральные данные (которые, между прочим, показали, что у далеких сверхновых аналогичные спектральные изменения свершаются медленнее, чем у более близких, - еще одно доказательство допплеровской природы красного смещения).
Результаты казались - и некоторым кажутся и сейчас - невероятными. Далекие сверхновые оказались систематически более слабыми, чем требовал линейный закон Хаббла и это означало, что Вселенная расширяется с ускорением и космологическая постоянная не равна нулю, а имеет положительный знак (Рис. 6). С.Перлмуттер рассказывает, что после одного из его первых выступлений с сообщением об открытии, один знаменитый физик - теор етик заметил, что эти наблюдательные результаты должны быть ошибочными, поскольку космологическая постоянная должна быть очень близкой к нулю.
Однако о надежности результатов говорила близость независимых выводов двух команд, тщательно рассмотревших все возможные источники ошибок. Небольшие различия в максимальной светимости сверхновых оказалось возможным учесть на основе работ, выполненных еще в 1970-ых годах Ю.П.Псковским (ГАИШ МГУ) - эти различия зависят от скорости падения блеска звезды.
В октябре 2003 года большая международная команда астрономов подтвердила вывод об ускоренном расширении Вселенной. Они получили данные о 23 сверхновых, среди которых 7 очень далеких, и это позволяет уверенно говорить о том, что ускорение расширения Вселенной не является кажущимся, и что характеристики сверхновых Ia не зависят от их расстояний и возрастов.
Ускоренное расширение Вселенной заставляет некоторых физиков вводить новую сущность, "квинтэссенцию", новое физическое поле, для которого эффективная гравитационная плотность отрицательна и которое, следовательно, способно создать антигравитацию, ведущую к ускорению расширения Вселенной. Однако классики науки учат нас не вводить новые сущности без крайней необходимости. Таким же свойством отрицательного давления обладает космический вакуум, который присутствует повсюду. Он фигурирует и в физике микромира, представляя собой наинизшее энергетическое состояние квантовых полей. Именно в нем происходят взаимодействия элементарных частиц; реальность физического вакуума бесспорно установлена в нескольких экспериментах.
Теперь есть все основания считать, что космологический член в уравнениях Эйнштейна описывает именно плотность энерги и вакуума. Эта плотность постояна во времени и в пространстве, причем в любой системе отсчета, и она имеет положительное значение.
Давление вакуума равно плотности со знаком минус, умноженной на квадрат скорости света, и следовательно, оно отрицательно, - что и вызывает ускоренное расширение Вселенной, обнаруженное теперь по данным о далеких сверхновых.
Свойства вакуума и позволяют объяснить парадокс Сендиджа. Он и его соавторы (Astrophys. J., V. 590, P. 256, 2003) отмечают, что первыми этом сделали в 2001 г. Российские и Финские астрономы. Согласно А.Д.Чернину (ГАИШ МГУ), П.Теерикорпи (Обсерватория Турку) и Ю.В.Барышеву (АИ СПбГУ) - см. обзорную статью Чернина, (Успехи физ. наук, т. 171, #11, с. 1153, 2001) - парадоксальные результаты Сендиджа и Караченцева объясняется тем, что именно вакуум определяет динамику Вселенной. Крупномасштабная кинематика галактик - расширение Вселенной - является однородной, регулярной, хотя их пространственное распределение весьма иррегулярно в тех же объемах. Это означает, что крупномасштабная динамика галактик управляется вакуумом, плотность которого начинает превышать плотность вещества уже с расстояний порядка 1,5 - 2 кпк от нас. Плотность его одинакова везде и именно она и задает темп расширения - постоянную Хаббла. Динамический эффект вакуума не зависит ни от движений, ни от распределения галактик в пространстве. Таким образом, исходя из объяснения ускоренного расширения Вселенной наличием космического вакуума, А.Чернин и его коллеги нашли и естественное объяснение парадокса Сендиджа. Концепция же квинтэссенции остается пока придуманной ad hoc - она предложена лишь потому, что даваемое астрономическими наблюдениями значение плотности энерги и вакуума несовместимо с убеждениями многих физиков.
Итак, все сходится к тому, что астрономы сумели измерить величину, о знании которой давно мечтали физики - плотность энерги и вакуума. Результат оказался неожиданным. Ожидалось, что такая фундаментальная величина должна иметь какое-то выделенное значение, либо нулевое, либо же определяемое планковской плотностью - комбинацией из постоянной тяготения, скорости света и постоянной Планка, имеющей размерность плотности и составляющей 5 х 1093 г/см3. Однако наблюденное астрономами значение плотности вакуума меньше планковского на 122 порядка - и все же оно отнюдь не нулевое! Плотность энерги и вакуума составляет около 70% плотности всего вещества Вселенной. Этот результат следует и из спутниковых измерений флуктуаций фона реликтового излучения. Он означает, что Вселенная будет расширяться вечно...
Все это ставит трудные проблемы перед фундаментальной физикой. В обзорной статье в УФН А.Д.Чернин приводит аргументы в пользу предположения, что природа вакуума должна быть как-то связана с физикой электрослабых процессов при возрасте мира около 10-12 секунды. В эпоху, когда температура расширяющегося космоса упала до соответствующего этим процессам значения, возможно и произошел последний по времени скачок (фазовый переход) в состоянии первичного вакуума, который и обусловил современное значение плотности космического физического вакуума.
Первичный вакуум - это теор етическое понятие того же уровня фундаментальности, что и понятия времени и пространства. Предполагается, что его плотность должна быть близка к планковской плотности. Никаких наблюдательных данных, подтверждающих его существование, пока нет, но именно флуктуации первичного вакуума, по мнению многих теор етиков, дают начало множеству вселенных с самыми разными значениями физических констант в них. Та из этих вселенных, параметры которой (на современном этапе!) совместимы с жизнью, является Нашей Вселенной...
Итак, Вселенная состоит на 70% из вакуума, - и лишь 4% приходится на барионы, из которых состоят звезды и газ. Это также результат последних лет. Остальные 26% плотности энерги и Вселенной дает "холодное темное вещество", обнаружимое (пока?) лишь по его гравитационному полю. Носителями этой скрытой массы являются скорее всего еще неизвестные физике слабо взаимодействующие элементарные частицы. Их усиленно разыскивают с приборами, расположенными глубоко под землей. Но об этом уже нет места рассказывать.
Могут сказать, что астрономы в итоге XX века оказались у разбитого корыта? Но нет, мы взобрались на очередную вершину знания - и увидели с нее новые пики. Состав Вселенной мы сумели определить, наблюдая звезды, масса которых составляет лишь около 1% ее полной массы (рис. 7). Это очередной триумф науки - и доказательство того, что конца науки не будет, если человечество будет ее поддерживать. И тогда нам не будут страшны никакие вызовы будущего!
Если, любопытствуя, мы возьмем в руки справочник или какое-нибудь научно-популярное пособие, то непременно наткнемся в них на одну из версий теории происхождения Вселенной – так называемой теории «большого взрыва». В кратком виде эту теорию можно изложить так: первоначально вся материя была сжата в одну «точку», имевшую необычайно высокую температуру, а затем эта «точка» взорвалась с огромной силой. В результате взрыва из постепенно расширявшегося во все стороны супергорячего облака субатомных частиц постепенно образовывались атомы, вещества, планеты, звезды, галактики и, наконец, жизнь. При этом расширение Вселенной продолжается, и неизвестно, как долго будет продолжаться: возможно, когда-нибудь оно достигнет своих границ.
Выводы космологии основываются и на законах физики, и на данных наблюдательной астрономии. Как любая наука, космология в своей структуре кроме эмпирического и теоретического уровней имеет также уровень философских предпосылок, философских оснований.
Так, в основании современной космологии лежит предположение о том, что законы природы, установленные на основе изучения весьма ограниченной части Вселенной, чаще всего на основе опытов на планете Земля, могут быть экстраполированы на значительно большие области, в конечном счете - на всю Вселенную. Это предположение об устойчивости законов природы в пространстве и времени относится к уровню философских оснований современной космологии.
Возникновение современной космологии связано с созданием релятивистской теории тяготения - общей теории относительности Эйнштейном (1916). Из уравнений Эйнштейна общей теории относительности следует кривизна пространства-времени и связь кривизны с плотностью массы (энергии).
Применив общую теорию относительности ко Вселенной в целом, Эйншейн обнаружил, что такого решения уравнений, которому бы соответствовала не меняющаяся со временем Вселенная, не существует. Однако Эйнштейн представлял себе Вселенную как стационарную. Поэтому он ввел в полученные уравнения дополнительное слагаемое, обеспечивающее стационарность Вселенной.
В начале 20-х годов советский математик А.А.Фридман впервые решил уравнения общей теории относительности применительно ко всей Вселенной, не накладывая условия стационарности.
Он показал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, должна расширяться или сжиматься. Полученные Фридманом уравнения лежат в основе современной космологии.
В 1929 году американский астроном Э.Хаббл опубликовал статью "Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей", в которой пришел к выводу: "Далекие галактики уходят от нас со скоростью, пропорциональной удаленности от нас. Чем дальше галактика, тем больше ее скорость" (коэффициент пропорциональности получил название постоянной Хаббла).
Этот вывод Хаббл получил на основе эмпирического установления определенного физического эффекта - красного смещения, т.е. увеличения длин волн линий в спектре источника (смещения линий в сторону красной части спектра) по сравнению с линиями эталонных спектров, обусловленного эффектом Допплера, в спектрах галактик.
Открытие Хабблом эффекта красного смещения, разбегания галактик лежит в основе концепции расширяющейся Вселенной.
В соответствии с современными космологическими концепциями, Вселенная расширяется, но центр расширения отсутствует: из любой точки Вселенной картина расширения будет представляться той же самой, а именно, все галактики будут иметь красное смещение, пропорциональные расстоянию до них. Само пространство как бы раздувается.
Если на воздушном шарике нарисовать галактики и начать надувать его, то расстояния между ними будут возрастать, причем тем быстрее, чем дальше они расположены друг от друга. Разница лишь в том, что нарисованные на шарике галактики и сами увеличиваются в размерах, реальные же звездные системы повсюду во Вселенной сохраняют свой объем из-за сил гравитации.
Одна из самых больших проблем, стоящих перед сторонниками теории «большого взрыва», как раз состоит в том, что ни один из предлагаемых ими сценариев возникновения Вселенной невозможно описать математически или физически. Согласно базовым теориям «большого взрыва», первоначальным состоянием Вселенной была точка бесконечно малых размеров с бесконечно большой плотностью и бесконечно высокой температурой. Однако такое состояние выходит за пределы математической логики и не поддается формальному описанию. Так что в действительности о первоначальном состоянии Вселенной ничего определенного сказать нельзя, и расчеты тут подводят. Поэтому это состояние получило в среде ученых название «феномена».
Так как этот барьер до сих пор не преодолен, то в научно-популярных изданиях для широкой публики тема «феномена» обычно опускается вообще, а в специализированных научных публикациях и изданиях, авторы которых пытаются как-то справиться с этой математической проблемой, о «феномене» говорят как о вещи, недопустимой с научной точки зрения, Стивен Хоукинг, профессор математики из Кембриджского университета, и Дж.Ф.Р. Эллис, профессор математики университета в Кейптауне, в своей книге «Длинная шкала структуры пространство-время» указывают: «Достигнутые нами результаты подтверждают концепцию, что Вселенная возникла конечное число лет назад. Однако отправной пункт теории возникновения Вселенной – так называемый «феномен» – находится за гранью известных законов физики». Тогда приходится признать, что во имя обоснования «феномена», этого краеугольного камня теории «большого взрыва», необходимо допустить возможность использования методов исследований, выходящих за рамки современной физики.
«Феномен», как и любой другой отправной пункт «начала Вселенной», включающий в себя что-то, что невозможно описать научными категориями, остается открытым вопросом. Однако возникает следующий вопрос: откуда появился сам «феномен», как он образовался? Ведь проблема «феномена» – это только часть гораздо большей проблемы, проблемы самого источника начального состояния Вселенной. Иными словами – если первоначально Вселенная была сжата в точку, то что привело ее в это состояние? И если мы даже откажемся от вызывающего теоретические трудности «феномена», то все равно останется вопрос: как образовалась Вселенная?
В попытках обойти эту трудность, некоторые ученые предлагают так называемую теорию «пульсирующей Вселенной». По их мнению, Вселенная бесконечно, раз за разом, то сжимается в точку, то расширяется до каких-то границ. Такая Вселенная не имеет ни начала, ни конца, существуют только цикл расширения и цикл сжатия. При этом авторы гипотезы утверждают, что Вселенная существовала всегда, тем самым вроде бы полностью снимая вопрос о «начале мира».
Но дело в том, что никто до сих пор не представил удовлетворительного объяснения механизма пульсации. Почему происходит пульсация Вселенной? Какими причинами она вызвана? Физик Стивен Вайнберг в своей книге «Первые три минуты» указывает, что при каждой очередной пульсации во Вселенной неизбежно должна возрастать величина соотношения количества фотонов к количеству нуклеонов, что ведет к угасанию новых пульсаций. Вайнберг делает вывод, что таким образом количество циклов пульсации Вселенной конечно, а значит, в какой-то момент они должны прекратиться. Следовательно, «пульсирующая Вселенная» имеет конец, а значит, имеет и начало.
В 2011 году нобелевская премия по физике была присуждена участнику проекта Supernova Cosmology Саулу Перлмуттеру из Национальной лаборатории Лоренса Беркли, а также членам исследовательской группы High-z Supernova Брайану П. Шмидту из Австралийского национального университета и Адаму Г. Риссу из Университета Джонса Хопкинса.
Трое ученых разделили премию за открытие ускорения расширения Вселенной путем наблюдения далеких сверхновых звезд. Они изучали особый вид сверхновых типа Ia. Это взорвавшиеся старые компактные звезды тяжелее Солнца, но размером с Землю. Одна такая сверхновая может излучать столько света, сколько целая звездная плеяда. Двум группам исследователей удалось обнаружить более 50 далеких сверхновых Ia, чей свет оказался слабее, чем ожидалось. Это было доказательством того, что расширение Вселенной ускоряется. Исследование неоднократно натыкалось на загадки и сложные проблемы, однако, в конце концов, обе команды ученых пришли к одинаковым заключениям об ускорении расширения Вселенной.
Это открытие на самом деле удивительно. Нам уже известно, что после Большого взрыва около 14 миллиардов лет назад Вселенная начала расширяться. Тем не менее, открытие того, что это расширение ускоряется, поразило самих первооткрывателей.
Причину загадочного ускорения приписывают гипотетической темной энергии, которая составляет по расчетам примерно три четверти Вселенной, но до сих пор остается самой большой загадкой современной физики.
Видео: Александр Фридман и Теория Расширяющейся Вселенной
Скопление галактик Abel85, расположенное на расстоянии примерно 740 млн световых лет от Земли, зарегистрировано рентгеновской обсерваторией Чандра. Пурпурное свечение - это газ, разогретый до нескольких миллионов градусов.
Иллюстрация к модели роста космических структур Вселенной. Изображены три возраста Вселенной: 0,9 млрд, 3,2 млрд и 13,7 млрд лет (нынешнее состояние).
Международная группа учёных под руководством Алексея Вихлинина из Института космических исследований РАН экспериментально подтвердила ускоренное расширение Вселенной новым независимым методом и восстановила картину её развития во времени. Сейчас в ИКИ РАН ведут работы по созданию новой орбитальной рентгеновской обсерватории, одной из задач которой будет определение уравнения состояния тёмной энергии с беспрецедентной точностью.
Алексей Вихлинин, выступая с докладом на конференции «Астрофизика высоких энергий сегодня и завтра», прошедшей в ИКИ РАН, рассказал, что в прошлом веке по наблюдениям далёких сверхновых звёзд было показано, что наша Вселенная расширяется с ускорением. Для объяснения этого ускорения ввели понятие «тёмной энергии» («невидимой энергии»). Её свойства оказались весьма необычными — так, например, тёмная энергия должна обладать отрицательным давлением, чтобы «расталкивать» Вселенную. Установление природы этой загадочной тёмной энергии — одна из главных задач физики, поскольку, согласно современным представлениям, именно тёмная энергия определяет развитие нашего мира.
В основе работы международной группы учёных из Европы и США лежало исследование распределения массивных скоплений галактик в пространстве — основных элементов крупномасштабной структуры Вселенной. (Крупномасштабную структуру можно представить как скопления галактик, соединённые филаментами
— скоплениями газа, между которыми находятся пустоты.) Тёмная энергия должна оказывать существенное влияние на рост крупномасштабной структуры, поскольку она противодействует силе гравитационного притяжения материи и препятствует образованию сгущений вещества на больших масштабах расстояний. В наибольшей степени это влияние отражается на скорости образования массивных скоплений галактик. Такие скопления содержат тысячи галактик, подобных нашей, и могут иметь массы порядка 10 14 масс Солнца.
Экспериментально обнаружено и подробно исследовано 86 наиболее массивных скоплений галактик во Вселенной, находящихся на расстоянии от нескольких сотен миллионов до нескольких миллиардов световых лет от Млечного Пути. Большая часть скоплений открыта на основании данных рентгеновского телескопа РОСАТ (Германия, НАСА). Измерения расстояний выполнены при помощи десятка оптических телескопов по всему миру: Keck, Magellan, NTT и др. Большое количество наблюдений проведено также при помощи российско-турецкого 1,5-метрового телескопа РТТ-150. Главный вклад в успех работы сделан орбитальной рентгеновской обсерваторией Чандра (США) — по её данным точно измерены массы скоплений.
На основе полученных результатов астрофизики восстановили картину развития Вселенной начиная примерно с 2/3 её возраста до настоящего времени, то есть в течение последних 5,5 миллиарда лет (что примерно соответствует возрасту Солнца). Результаты этого исследования показали, что рост крупномасштабной структуры в течение этого времени существенно замедлился.
Сила, с которой тёмная энергия «расталкивает» вещество, описывается параметром уравнения состояния тёмной энергии, имеющим физический смысл, сходный с жёсткостью пружины. Исследователи провели наиболее точное на сегодняшний день измерение этого параметра. Полученные результаты подразумевают, что уравнения общей теории относительности (только с добавлением космологической постоянной) хорошо работают на всех наблюдаемых расстояниях — от радиусов орбит планет в нашей Солнечной системе до размеров всей наблюдаемой части Вселенной.
ИКИ РАН в сотрудничестве с институтами Общества им. Макса Планка (Германия) и другими научными организациями сейчас ведёт работы по созданию орбитальной рентгеновской обсерватории «Спектр-рентген-гамма» (СРГ), запуск которой планируется в 2012 году. Обсерватория предназначена для полного обзора неба, в ходе которого, как ожидается, будет открыто порядка 100 тысяч скоплений галактик (то есть все массивные скопления галактик во Вселенной), примерно 3 млн ядер активных галактик (сверхмассивных чёрных дыр) и около 2 млн коронально-активных звёзд. На основе наблюдений массивных скоплений галактик предполагается более точно оценить скорость роста крупномасштабной структуры Вселенной, что, в свою очередь, позволит определить беспрецедентно точно уравнение состояния тёмной энергии.
Астрофизики считают, что изучение природы тёмной энергии позволит создать новую теорию вакуума, которая, возможно, будет распространена на другие физические явления. Не исключено, что в рамках новой теории окажется, что наше пространство имеет не четыре, а пять измерений.
В истории познания окружающего нас мира четко прослеживается общее направление - постепенное признание неисчерпаемости природы, ее бесконечности во всех отношениях. Вселенная бесконечна в пространстве и во времени, и если отбросить идеи И. Ньютона о "первом толчке", то такого рода мировоззрение можно считать вполне материалистическим. Ньютоновская Вселенная утверждала, что пространство есть вместилище всех небесных тел, с движением и массой которых оно никак не связано; Вселенная всегда одна и та же, т. е. стационарна, хотя в ней постоянно происходит гибель и рождение миров.
Казалось бы, небо ньютоновской космологии обещало быть безоблачным. Однако очень скоро пришлось убедиться в обратном. В течение XIX в. обнаружились три противоречия, которые были сформулированы в форме трех парадоксов, названных космологическими. Они, казалось, подрывали представление о бесконечности Вселенной.
Фотометрический парадокс. Если Вселенная бесконечна и звезды в ней распределены равномерно, то по любому направлению мы должны видеть какую-нибудь звезду. В этом случае фон неба был бы ослепительно ярким, как Солнце.
Гравитационный парадокс. Если Вселенная бесконечна и звезды равномерно занимают ее пространство, то сила тяготения в каждой его точке должна быть бесконечно велика, а стало быть, бесконечно велики были бы и относительные ускорения космических тел, чего, как известно, нет.
Термодинамический парадокс. По второму закону термодинамики все физические процессы во Вселенной в конечном счете сводятся к выделению теплоты, которая необратимо рассеивается в мировом пространстве. Рано или поздно все тела остынут до температуры абсолютного нуля, движение прекратится и наступит навсегда "тепловая смерть". Вселенная имела начало, и ее ждет неизбежный конец.
Первая четверть XX в. прошла в томительном ожидании развязки. Никто, разумеется, не хотел отрицать бесконечность Вселенной, но, с другой стороны, никому не удавалось устранить космологические парадоксы стационарной Вселенной. Лишь гений Альберта Эйнштейна внес новую струю в космологические споры.
Ньютоновская классическая физика, как уже говорилось, рассматривала пространство как вместилище тел. Никакого взаимодействия между телами и пространством по Ньютону и быть не могло.
В 1916 г. А. Эйнштейн опубликовал основы общей теории относительности. Одна из главных ее идей состоит в том, что материальные тела, в особенности большой массы, заметно искривляют пространство. Из-за этого, например, луч света, проходящий вблизи Солнца, изменяет первоначальное направление.
Представим себе теперь, что во всей наблюдаемой нами части Вселенной материя равномерно "размазана" в пространстве и в любой его точке действуют одни и те же законы. При некоторой средней плотности космического вещества выделенная ограниченная часть Вселенной не только искривит пространство, но
даже замкнет его "на себя". Вселенная (точнее, выделенная ее часть) превратится в замкнутый мир, напоминающий обычную сферу. Но только это будет четырехмерная сфера, или гиперсфера, представить себе которую мы, трехмерные существа, не в состоянии. Однако, мысля по аналогии, мы легко разберемся в некоторых свойствах гиперсферы. Она, как и обычная сфера, имеет конечный объем, заключающий в себе конечную массу вещества. Если в мировом пространстве лететь все время в одном направлении, то через некоторое число миллиардов лет можно попасть в исходную точку.
Идею о возможности замкнутости Вселенной впервые высказал А. Эйнштейн. В 1922 г. советский математик А. А. Фридман доказал, что "замкнутая Вселенная" Эйнштейна никак не может быть статичной. В любом случае ее пространство или расширяется, или сжимается со всем своим содержимым.
В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл открыл замечательную закономерность: линии в спектрах подавляющего большинства галактик смещены к красному концу, причем смещение тел тем больше, чем дальше от нас находится галактика. Это интересное явление называется красным смещением. Объяснив красное смещение эффектом Доплера, т. е. изменением длины волны света в связи с движением источника, ученые пришли к выводу о том, что расстояние между нашей и другими галактиками непрерывно увеличивается. Конечно, галактики не разлетаются во все стороны от нашей Галактики, которая не занимает никакого особого положения в Метагалактике, а происходит взаимное удаление всех галактик. Это означает, что наблюдатель, находящийся в любой галактике, мог бы, подобно нам, обнаружить красное смещение, ему казалось бы, что от него удаляются все галактики. Таким образом, Метагалактика нестационарна. Открытие расширения Метагалактики свидетельствует о том, что Метагалактика в прошлом была не такой, как сейчас, и иной станет в будущем, т. е. Метагалактика эволюционирует.
По красному смещению определены скорости удаления галактик. У многих галактик они очень велики, соизмеримы со скоростью света. Самыми большими скоростями, иногда превы-
шающими 250 тыс. км/с, обладают некоторые квазары, считающиеся самыми удаленными от нас объектами Метагалактики.
Закон, согласно которому красное смещение (а значит, и скорость удаления галактик) возрастает пропорционально расстоянию от галактик (закон Хаббла), можно записать в виде: v - Нr, где v - лучевая скорость галактики; r - расстояние до нее; Н - постоянная Хаббла. По современным оценкам, значение Н заключено в пределах:
Следовательно, наблюдаемый темп расширения Метагалактики таков, что галактики, разделенные расстоянием 1 Мпк (3 10 19 км), удаляются друг от друга со скоростью от 50 до 100 км/с. Если скорость удаления галактики известна, то можно вычислить расстояние до далеких галактик.
Итак, мы живем в расширяющейся Метагалактике. Это явление имеет свои особенности. Расширение Метагалактики проявляется только на уровне скоплений и сверхскоплений галактик, т. е. систем, элементами которых являются галактики. Другая особенность расширения Метагалактики заключается в том, что не существует центра, от которого разбегаются галактики.
Расширение Метагалактики - самое грандиозное из известных в настоящее время явлений природы. Правильное его истолкование имеет исключительно большое мировоззренческое значение. Не случайно в объяснении причины этого явления резко проявилось коренное отличие философских взглядов ученых. Некоторые из них, отождествляя Метагалактику со всей Вселенной, пытаются доказать, что расширение Метагалактики подтверждает религиозное о сверхъестественном, божественном происхождении Вселенной. Однако во Вселенной известны естественные процессы, которые в прошлом могли вызвать наблюдаемое расширение. По всей вероятности, это взрывы. Их масштабы поражают нас уже при изучении отдельных видов галактик. Можно представить, что расширение Метагалактики
также началось с явления, напоминающего колоссальный взрыв вещества, обладавшего огромной температурой и плотностью.
Так как Вселенная расширяется, естественно думать, что раньше она была меньше и когда-то все пространство было сжато в сверхплотную материальную точку. Это был момент так называемой сингулярности, который уравнениями современной физики описан быть не может. По неизвестным причинам произошел процесс, подобный взрыву, и с тех пор Вселенная начала "расширяться". Процессы, происходящие при этом, объясняются теорией горячей Вселенной.
В 1965 г. американские ученые А. Пензиас и Р. Вильсон нашли экспериментальное доказательство пребывания Вселенной в сверхплотном и горячем состоянии, т. е. реликтовое излучение. Оказалось, что космическое пространство заполнено электромагнитными волнами, являющимися посланцами той древней эпохи развития Вселенной, когда еще не было никаких звезд, галактик, туманностей. Реликтовое излучение пронизывает все пространство, все галактики, оно участвует в расширении Метагалактики. Реликтовое электромагнитное излучение находится в радиодиапазоне с длинами волн от 0,06 см до 60 см. Распределение энергии похоже на спектр абсолютно черного тела температурой 2,7 К. Плотность энергии реликтового излучения равна 4 10 -13 эрг/см 3 , максимум излучения приходится на 1,1 мм. При этом само излучение имеет характер некоторого фона, ибо заполняет все пространство и совершенно изотропно. Оно является свидетелем начального состояния Вселенной.
Очень важно, что, хотя это открытие было сделано случайно при изучении космических радиопомех, существование реликтового излучения было предсказано теоретиками. Одним из первых предсказал это излучение Д. Гамов, разрабатывая теорию происхождения химических элементов, возникших в первые минуты после Большого взрыва. Предсказание существования реликтового излучения и обнаружение его в космическом пространстве - еще один убедительный пример познаваемости мира и его закономерностей.
Во всех развитых динамических космологических моделях утверждается идея о расширении Вселенной из некоторого сверхплотного и сверхгорячего состояния, называемого сингулярным. Американский астрофизик Д. Гамов пришел к концепции Большого взрыва и горячей Вселенной на ранних этапах ее эволюции. Анализ проблем начальной стадии эволюции Вселенной оказался возможным благодаря новым представлениям о природе вакуума. Космологическое решение, полученное В. де Ситтером для вакуума (r ~ е Ht), показало, что экспоненциальное расширение неустойчиво: оно не может продолжаться неограниченно долго. Через сравнительно малый промежуток времени экспоненциальное расширение прекращается, в вакууме происходит фазовый переход, в процессе которого энергия вакуума переходит в обычное вещество и кинетическую энергию расширения Вселенной. Большой взрыв был 15-20 млрд лет назад.
Согласно стандартной модели горячей Вселенной сверхплотная материя после Большого взрыва начала расширяться и постепенно охлаждаться. По мере расширения произошли фазовые переходы, в результате которых выделились физические силы взаимодействия материальных тел. При экспериментальных значениях таких основных физических параметров, как плотность и температура (р ~ 10 96 кг/м 3 и Т ~ 10 32 К), на начальном этапе расширения Вселенной различие между элементарными частицами и четырьмя типами физических взаимодействий практически отсутствует. Оно начинает проявляться когда уменьшается температура и начинается дифференциация материи.
Таким образом, современные представления об истории возникновения нашей Метагалактики основываются на пяти важных экспериментальных наблюдениях:
1. Исследование спектральных линий звезд показывает, что Метагалактика в среднем обладает единым химическим составом. Преобладают водород и гелий.
2. В спектрах элементов далеких галактик обнаруживается систематическое смещение красной части спектра. Величина
этого смещения возрастает по мере удаления галактик от наблюдателя.
3. Измерения радиоволн, приходящих из космоса в сантиметровом и миллиметровом диапазонах, указывают на то, что космическое пространство равномерно и изотропно заполнено слабым радиоизлучением. Спектральная характеристика этого так называемого фонового излучения соответствует излучению абсолютно черного тела при температуре около 2,7 градуса Кельвина.
4. По астрономическим наблюдениям, крупномасштабное распределение галактик соответствует постоянной плотности массы, составляющей, по современным оценкам, по крайней мере 0,3 бариона на каждый кубический метр.
5. Анализ процессов радиоактивного распада в метеоритах показывает, что некоторые из этих компонентов должны были возникнуть от 14 до 24 миллиардов лет назад.
