Теория расширяющейся Вселенной. Большой взрыв.
Расширяющаяся Вселенная
Многие знают, что согласно современным научным представлениям наша вселенная расширяется. Давайте попробуем разобраться в экспериментальных и теоретических вопросах этого расширения.
В 1929 году Эдвин Хаббл впервые экспериментально обнаружил эффект "разбегания" галактик. Позднее появился физический закон, названный законом Хаббла. Согласно этому закону, красное смещение удаленных объектов (звезд, галактик и т.д.) пропорционально их расстоянию от наблюдателя. Красное смещение отвечает за скорость объекта относительно наблюдателя и, таким образом, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас удаляется.
Разумеется, галактики удаляются не только от Земли, но и друг от друга. Наглядно представить себе такое расширение вселенной довольно легко. Представим себе небольшой воздушный шарик, на котором мы нарисуем различные космические объекты. Когда мы начнем надувать этот шарик, то расстояние между всему нарисованными объектами будет увеличиваться. Причем, чем больше будет расстояние между рисунками, там быстрее оно будет увеличиваться. Таким образом, мы получаем картину расширения вселенной под действием закона Хаббла. Математически закон Хаббла выражается очень просто:
v = Hr
Где v - скорость разбегания галактик, r - расстояние до галактики, H - постоянная Хаббла. Наиболее надёжная оценка H на 2008 год составляет (70,1±1,3) (км/с)/Мпк.
Закон Хаббла сразу вызвал ряд физических предположений. Если сейчас вселенная расширяется, значит можно предположить, что когда то давно она было очень маленькой. Возможны размеры вселенной были меньше атомного ядра. По непонятной причине произошел Большой Взрыв, в следствии которого вся материя приобрела скорость и стала разлетаться, образуя то, что мы сейчас называем наша вселенная.
Пока не будем останавливаться на большом взрыве, а займемся вопросом собственно расширения вселенной. На сегодняшний день весь процесс расширения вселенной от большого взрыва до настоящего времен описан уравнениями Фридмана. Александр Фридман первый сформулировал и решил нестационарные уравнения теории гравитации Эйнштейна в 1922 году.
В связи с развитием экспериментальной техники уравнения Фридмана представляют особый интерес. Дело в том, что уравнения этой модели содержат в себе несколько параметров, значение которых как раз определяются в эксперименте. От этих самых параметров зависит во первых, как выглядит наша вселенная, а во вторых, как она расширяется.
Поговорим в начале о том, какой вид имеет наша вселенная. Согласно современным представлениям наша вселенная есть 4 мерное риманово многообразие. Основной вопрос заключается в том, какую форму имеет это многообразие. В уравнения Фридмана входит такой параметр как критическая плотность вещества во вселенной.
Если плотность вещества во вселенной больше критической, то вселенная открытая, если меньше, то замкнутая или закрытая, а если в точности равна, то пространственно плоское. Согласно современным данным, плотность вещества во вселенной приблизительно равна критической плотности. Из-за слишком большой ошибки сказать что-то определенное по этому поводу не удается.
Давайте попробуем представить, как выглядит этот объекты.
Закрытая вселенная. Довольно легко представить двухмерную сферу - это поверхность земного шара. Наша вселенная в таком варианте есть трехмерная сфера. Представьте, что мы находимся в обычном трехмерном пространстве. Но стоит нам достаточно долго идти в каком нибудь направлении, как мы вернемся в точку, с которой стартовали. Это и есть трехмерная сфера. В нашей вселенной такой трюк невозможен, так как эта самая сфера раздувается, а скорость нашего движения ограничена скоростью света.
Открытая и плоская модели вселенной мало чем отличаются от обычного трехмерного пространства. В случае плоской модели вселенная, фактически, есть трехмерное пространство которое расширяется. Открытая же вселенная отличается лишь наличием кривизны пространства.
Что касается расширения вселенной, то тут тоже не все так просто. Сейчас вселенная расширяется. Но если плотность вещества больше критической, то расширение может сменится гравитационным сжатием, и размеры вселенной вновь могут стать микроскопическими. Если же плотность вещества мала, то расширение будет происходить неограниченно.
Еще одним важным фактором, влияющим на расширение вселенной, является так называемый лямбда член – самый таинственный параметр в уравнении Эйнштейна. Этот параметр играет роль как бы антигравитации. Если он действительно отличен от нуля, то вселенная расширяется ускоренно, то есть постоянная Хаббла со временем будет только расти. При таком положении вещей расширение уже не сменится сжатием.
Ответить точно на вопрос о положении дел во вселенной пока не позволяем низкая точность в экспериментальных данных. Однако, прогресс не стоит на месте, и можно надеяться что довольно скоро мы будем знать уже больше о том мире в котором живем.
Большой взрыв
Многие слышали что наша Вселенная произошла в результате большого взрыва. Так это или нет утверждать определенно довольно сложно, однако, все существующие астрономические наблюдения подтверждают теорию большого взрыва. В этой статье мы, опираясь на современные научные теории, попробуем в самых общих чертах описать жизнь Вселенной в первые мгновения своего существования.
Итак, мы знаем, что возраст Вселенной около 13 миллиардов лет, и еще мы знаем, что все это время Вселенная расширялась. Представим себе тот отдаленный момент, когда Вселенная представляла собой некую сингулярность с температурой 10 в 32 степени градусов, и плотность 10 в 96 степени килограммов на метр кубический. (Слово сингулярность означает что это что-то непонятное науке.) Некоторый объект, в котором не работают наши обычные представления о мире. Можно лишь сказать, что он был очень маленький (возможно порядка атомного ядра), очень горячий и имел очень большую плотность.
По еще не выясненным причинам произошел большой взрыв. Этот непонятный по своим свойствам объект стал с огромной скоростью расширяться. Произошло рождение нашей Вселенной. В процессе расширения Вселенная остывала, плотность Вселенной уменьшалась, она меняла свои физические свойства. Рассмотрим более детально первые мгновения после большого взрыва.
Когда возраст Вселенной был меньше 10-37 секунды в ней преобладала квантовая гравитация. А если точнее, все существующие сейчас взаимодействия действовали как одно общее взаимодействие. Это единое взаимодействие, по всей видимости, подчинялось законам квантовой гравитации. К сожалению квантовая гравитация еще почти не изучена, поэтому про эту раннюю эпоху мы сказать ничего не можем.
Примерно в возрасте 10-37 секунд, когда температура опустилась до 1026K единое взаимодействие распалось на 4 вида взаимодействия. Гравитационное взаимодействие стало менее значительным чем другие виды взаимодействия. С этого момента мир уже можно было описывать законами классической, не квантовой гравитации.
Еще немногим позже в возрасте 10-6 секунд, когда температура упала до 1013K появились электроны и кварки. Вещество в таком состоянии называется кварк-глюонной плазмой. Примечательно, что сейчас в центре Европы, в Женеве запущен в эксплуатацию ускоритель элементарных частиц. С помощью этого прибора мы планируем получить эту самую кварк-глюонную плазму, и с помощью нее лучше исследовать первые мгновения жизни Вселенной.
Вернемся к расширению Вселенной. Всего через минуту после большого взрыва образовались протоны и нейтроны и постепенно стало образовываться ядра гелия и дейтерия. Эти ядра еще нельзя было назвать атомами, так как существовавшие на тот момент электроны находились в свободном состоянии. Энергия вещества была столь велика, что все электроны непрерывно излучали и поглощали фотоны. Вселенная в то время была не прозрачна. Мы легко можем представить себе такую Вселенную, если посмотрим в топку печки, в тот момент, когда дрова горят так жарко, что видно одно только пламя.
Вид Вселенной кардинально поменялся спустя 400 000 лет. В этот момент энергия уменьшилась настолько, что образовались атомы. Излучение перестало взаимодействовать с веществом и Вселенная стала прозрачна. Оставшееся излучение до сих пор наполняет Вселенную – сейчас оно называется реликтовое или фоновое излучение.
Согласно мнению ученых, такие процессы, как разделение единого взаимодействия на 4 вида, образование кварк-глюонной плазмы, появление протонов и нейтронов, и некоторые другие происходили не постепенно, а почти мгновенно. Такие преобразования называются фазовыми переходами, аналогичным образом, например, происходит превращение пара в воду при остывании. Благодаря тому, что фазовые переходы происходили очень быстро они оставляли после себя некоторые следы, такие как фоновое излучение после образования атомов. Именно поэтому нам удается обнаружить доказательства, подтверждающие теорию большого взрыва.
С того самого времени Вселенная была похожа на ту, что мы видим сейчас. Со временем образовались звезды, планеты, в том числе и наша Земля.
49. Проблема поиска внеземных цивилизаций.
Пути поиска внеземных цивилизаций
В результате многолетних теоретических исследований проблемы поиска внеземных цивилизаций (ВЦ) предложен и частично изучен ряд возможных путей получения информации, свидетельствующей о существовании ВЦ. Рассматривался следующий ряд неизбежных проявлений существования ВЦ в космическом масштабе: (1, с. 8-9)
ü Электромагнитное излучение в результате технологической деятельности цивилизации;
ü Межзвездные перелеты, организуемые мощными ВЦ с околосветовыми скоростями;
ü Следы посещения Солнечной системы и Земли развитыми ВЦ. Колонизация Галактики.
ü Астроинженерная деятельность развитых цивилизаций.
Наиболее детально способ обнаружения по непреднамеренному радиоизлучению, предложенный И.С. Шкловским. Такое излучение может создавать телевидение, локация и внутренняя связь в пределах зоны расселения около своей звезды. Оказалось, что излучение несущей частоты земного телевидения может быть обнаружено средствами приема, которыми владеет земная цивилизация, с расстояния до 10 св. лет, а излучение мощных локаторов с расстояния до 30 св. лет. Обнаружение несущей частоты земного телевидения позволит по характеру изменения частоты за счет эффекта Доплера определить все параметры земного шара, направление оси и скорость собственного вращения, диаметр планеты и некоторые другие характеристики.
Межзвездные перелеты способами, известными в настоящее время, требуют огромной энергии. Даже разгон до децисветовой скорости небольшой автоматической ракеты требует 1018 –1019 Вт в течение 1-2-х лет разгона и такого же торможения. Поскольку при работе такого двигателя происходит выброс плазмы в пространство с огромной скоростью и с магнитным полем, то неизбежно возникает синхротронное радиоизлучение, которое может быть замечено современными средствами, по-видимому, на расстояниях около 100 св. лет. Однако количественный расчет излучения и возможностей его приема ждут своего детального изучения.
В рамках этого вопроса высказывались также идеи межзвездных перелетов с применением пилотируемых кораблей (с экипажем) или беспилотных автоматических зондов, в частности Брейсуэлл в 1960 г. предложил использование зондов, что повлекло за собой целый ряд работ в этом направлении.
Для кораблей, движущихся с околосветовыми скоростями, требуемая минимальная мощность двигателя, равная мощности светового излучения Солнца – 1026 Вт, может быть замечена в пределах всей Галактики имеющимися на Земле радиотелескопами. Это были бы необычные объекты, «искусственность» которых могла быть расшифрована.
Наиболее острым является вопрос о свидетельствах палеоконтактах, т.е. посещений в прошлом Солнечной системы и Земли кораблями развитых цивилизаций. Однако современная наука еще не располагает данными, позволяющими вести эффективный поиск «следов» возможных космических посещений. По мнению некоторых ученых (2, с.125) назрела необходимость сформировать специальное исследовательское направление – «палеовизитологию». В задачу этой науки должно входить создание теории предмета, разработка методологии методики поиска, осуществление практических поисков следов и другие необходимые исследования. Пока же изучение проблемы палеоконтактов ведется паранаучными методами.
Вопрос о возможности колонизации Галактики сводится к вопросу о том, что можно ли ожидать существования в настоящий момент цивилизаций, имеющих многие миллионы лет технологической эры жизни?
Если считать неизбежным заселение всей Галактики, то тем неизбежнее будет наиболее полное освоение цивилизацией зоны обитания около своей звезды по мере развития и увеличения численности населения. (1, с.10) Это должно привести к строительству «эфирных городов» (К.Э. Циолковский). Сейчас уже создаются технические проекты таких поселений на сотни тысяч обитателей. Таким образом, неизбежно создание в космосе больших инженерных сооружений, т.е. астроинженерная деятельность цивилизации. Так возникла известная сфера Циолковского-Дайсона. Если инженерные сооружения перекрывают весь поток световой энергии Солнца, то в принципе возможно, что извне такая система будет казаться гигантской инфракрасной звездой размерами более 1 а. е.
В последнее время возникло еще одно, несколько экзотическое направление поиска ВЦ, которое базируется на предположении, что высокоразвитые ВЦ могут закладывать информацию в генетическую структуру определенных организмов (биологический канал связи). Эта мысль была высказана М.М. Агрестом, затем Г. Марксом, а также в работе японских авторов Х. Ёко и Т. Осимо. Г.М. Бескин считает, что некоторые сложные природные явления (типа солнечной активности) могут содержать информацию о деятельности ВЦ в закодированной форме. (1, с.121-122).
Рассмотренные методы поиска ВЦ являются пассивными по своей природе, первыми шагами в сторону использования активных методов являются радиосообщение в сторону шарового скопления М 13, информационные пластинки на космических кораблях «Пионер», информационный контейнер на кораблях «Вояджер». Этот метод получил название метода артефакта, однако, М. Субботович и З. Папоротный считают, что эти земные артефакты и послания, находящиеся на их борту, нельзя рассматривать как серьезные попытки установить контакт с другими мирами, а относится к ним как к форме демонстрации возможностей современной космической техники. (1, с. 167)
Рассмотренные выше пути поиска разумной жизни во Вселенной относятся к поиску в объеме Галактики, так как объекты Метагалактики слишком удалены, чтобы надеяться фиксировать какие-либо из указанных свидетельств жизни на межгалактических расстояниях.
Л.М. Гиндилисом предложена систематизация современных направлений поиска ВЦ. (рис. 1) (1, с. 30-31)
Одним из самых важных вопросов в проблеме поиска ВЦ Н.С. Кардашев считает вопрос о том, что собственно искать, и предлагает некоторые астрономические объекты, являющиеся возможными кандидатами для областей размещения сверхцивилизаций и методы их поиска: (1, с.29)
Объект исследования Метод поиска
Самые мощные квазары и галактики. Поиск новых внегалактических объектов с мощностью излучения > 1045 эрг/с в диапазоне 10 мкм-1см, а также в других диапазонах.
Поиск астроинженерных конструкций.
Поиск направленных информационных сигналов на длине волны 1,5 мм и ненаправленных – на длине волны 21 см.
Целесообразен также поиск ретрансляторов в Солнечной системе или около центра Галактики.
Исследование ядра скопления Virgo (галактика М 87) и некоторых других крупных скоплений. Методы те же
Исследование ядра нашей Галактики, ядер ближайших крупных галактик (М 31, М 33 и т.д.) Методы те же
3. Общие положения теории внеземных цивилизаций.
Направления поиска свидетельств существования антропоморфной цивилизации во Вселенной основываются на ряде теоретических положений о возникновении и закономерностях развития цивилизаций. (1, с. 11) Эти положения можно сформулировать так:
• жизнь во Вселенной возникает непрерывно, начиная с образования звезд второго поколения, т.е. примерно в течение последних 12 млрд. лет;
• внеземные космические цивилизации возникают эволюционным путем непрерывно последние » 8 млрд. лет;
• существует закон неограниченной экспансии разумной жизни, т.е. стремление исследовать и занять максимальное пространство;
• цивилизации достигают уровня, при котором возможна практически неограниченная скорость непрерывного производства энергии.
Первое положение основывается на общепринятом мнении, что жизнь как функция материи возникает непрерывно по мере достижения определенной организации материи во Вселенной в ее эволюционном развитии. Начало этого процесса после Большого взрыва определяется сроками синтеза всего набора тяжелых элементов и образования звезд с планетами. Космология дает для возраста Вселенной » 15 млрд. лет. 3-х млрд. лет по теоретическим моделям вполне хватает для образования водородно-гелиевых звезд первого поколения, синтеза в них тяжелых элементов, рассеяния и конденсации в звезды второго поколения с планетами. Отсюда получается, что начавшийся после этого период, когда стало возможным возникновение жизни, длится уже » 12 млрд. лет.
После этого начинается эволюционное развитие форм жизни около каждой из звезд, где она возникла, от клетки до технологической цивилизации, на что на Земле ушло около 4 млрд. лет. Принимая этот срок за некоторую среднюю оценку, необходимую для возникновения разума и цивилизации, получаем второе положение, которое, как видно, является переносом земного опыта на всю Вселенную. Это может быть основано только на убеждении, что законы эволюции живого, установленные эволюционной биологией, являются универсальными и действуют во всей Вселенной.
Третье и четвертое положения также основаны на земном опыте. Закон неограниченной экспансии жизни для простейших ее форм является внутренним (неосознанным) императивом. Для разумных социальных форм жизни в естественный процесс экспансии вмешиваются начала разумного регулирования, т.е. цели и другие социально-экономические категории.
Четвертое положение – результат достижений науки и технологии последних десятилетий. Овладение термоядерной энергией позволяет иметь практически неограниченные возможности производства любых видов энергии.
Непрерывность возникновения жизни и цивилизаций во Вселенной, а также возможность производства неограниченных количеств энергии были главными теоретическими положениями, на которых строились выводы о существовании ярких свидетельств деятельности космических цивилизаций во Вселенной. Неограниченные возможности энергопроизводства и большое время жизни в технологической фазе старых цивилизаций допускают все, что не противоречит законам природы. Возможно создание гигантских астроинженерных сооружений, посылка мощнейших электромагнитных сигналов на всю Вселенную, даже передвижение звезд, их столкновение, взрывы и т.п.
Ряд исследователей считают, что раз это не запрещено законами физики, то многие из этих возможностей обязательно должны быть осуществлены. Это положение привело выводы теории к резкому расхождению с наблюдательными данными. Выводы теории приводят к неизбежной колонизации Галактики, существованию «космических чудес», связанных с космической деятельностью сверхцивилизаций, существованию мощных электромагнитных сигналов, легко принимаемых на простейшие средства и т.п. Ничего похожего не наблюдается, даже специальные поиски сигналов не дали положительных результатов. В настоящее время резюмируется отсутствие каких-либо свидетельств существования ВЦ выше порога наблюдательных возможностей, достигнутых нашей цивилизацией.
Отсюда можно сделать один из трех выводов:
• либо недостаточны наблюдательные данные;
• либо теория неверна;
• либо теория верна, но внеземных цивилизаций нет вообще, а наша цивилизация уникальна и единственна, по крайней мере, в нашей Галактике.
Этот радикальный последний вывод был сделан сначала Хартом, затем И.С. Шкловским. (3)
Существуют и другие, менее радикальные утверждения о том, что цивилизации, достигнув технологической фазы, быстро погибают от загрязнения окружающей среды, ядерной войны и т.п., не успевая решить проблемы связи с другими цивилизациями и освоить другие звездные системы и галактики.
50. Антропный принцип в космологии.
Антропный принцип в современной космологии гласит, что жизнь на Земле, включая разумное существо - человека, возникла благодаря совокупности всех условий, так сказать, «стечению обстоятельств» во всей Метагалактике, то есть той Вселенной, о которой мы сегодня знаем. И это действительно так: в иных условиях наша жизнь могла и не возникнуть, во всяком случае в ту астрономическую эпоху, когда она возникла реально. Но отсюда вовсе не следует, что благоприятствующие жизни условия в Метагалактике были «сфокусированы» исключительно на Землю - рядовую планету около рядовой звезды, находящейся на периферии, в одном из витков рядовой галактики в системе их огромного семейства Метагалактики.
В XIX веке, в частности, были гипотезы того времени о распространенности цивилизаций во Вселенной, и даже считалось, что в Солнечной системе жизнь и разум имеются «самое большее» на трех планетах, имеется в виду Венера, Земля и Марс, да и то расценивалось такая предполагавшаяся ситуация, как «колоссальная расточительность природы», потому что в Солнечной системе оставалось еще целых пять планет, лишенных жизни (шестая и девятая по общему счету, Плутон и Нептун, еще не были открыты в то время). Но какой же невообразимо «суперрасточительной» должна была быть природа всего мироздания, чтобы существовать ради жизни и разума на одной-единственной Земле!
Концепция уникальности Земли и человечества, конечно, лишь усиливает «ужас одиночества», о котором говорил Рассел. Как бы в противовес этой концепции и этому «ужасу» уже не в научных кругах, а в массовом сознании нередко упорно поддерживается версия об инопланетянах, якобы время от времени посещающих нашу планету.
«У этого создания было два глаза, два уха, один рот. Но... не было носа. Кожа в складках и бугристая. Чудовище как будто дышало порами своей бугристой кожи». Это рассказ об одном из членов экипажа «летающей тарелки», приписываемый некоему кавказскому крестьянину. Подобных рассказов сотни и тысячи, родились они в преддверии и в первые годы после выхода человека в космос, они недостоверны ни фактически, ни научно, и, пожалуй, представляют собой последний крик «грезящего человечества», наяву вынужденного отказаться от надежд на скорые контакты с инопланетными существами.
О недостоверности такого рода «наблюдений» можно судить хотя бы по следующему проведенному эксперименту. Когда в США были опрошены десятки «очевидцев», якобы видевших членов экипажей «неопознанных летающих объектов» (НЛО), и путем криминалистического анализа по этим описаниям был составлен обобщенный портрет инопланетного существа, то им оказался человек с хилым телом, большой и лысой головой, заостренными ушами и жутковатым пронзительным взглядом, одетый в костюм вполне земного космонавта. Здесь перемешались ненаучные представления о будущей биологической эволюции человека, традиционные образы чертей, стереотип «супермена» из комиксов и сведения об экипировке членов экипажей земных космических кораблей. Ни грана новой информации, а лишь фантастическая комбинация элементов известного. Именно этими качествами всегда отличалась фантазия, будь то в мифологии или в художественной литературе и искусстве.
Нам, поколениям ХХ-XXI столетия, представляется, что мифотворчество безвозвратно ушло в далекое прошлое. Однако оно продолжается и в наше время. Этнограф Валерий Санаров провел интересное исследование, где показал, что рассказы о встречах с НЛО продолжают традицию так называемых «быличек» древних, да и не очень древних повествований о столкновении человека с «потусторонним» миром ведьм, чертей, леших, привидений. Санаров подмечает, например, такие общие черты: подчеркивание невероятности происшествия и вместе с тем его якобы достоверности; внезапность появления «объекта»; ночная тьма и уединенность места действия как наиболее частая обстановка происшествия; страх, бессилие, «окаменение» субъекта происшествия; очень быстрое, внезапное исчезновение «объекта». Так что хладнокровное исследование этих феноменов не действительности, а сознания и психологии показывает, что мифотворчество способно существовать и в наше время. Но теперь, в своем «тарелочном» варианте, оно лишилось самого главного, что было в мифотворчестве древнем: прославления человека, его могущества и его творчества.
