Реферат: Теорія інфляційного Всесвіту

Теорія «інфляційного Всесвіту», що зв'язала його виникнення з квантовою флуктуацією вакууму, значно розширила еволюційні межі наукової картини світу. Завдяки цій гіпотезі, ідея еволюції, яка в другій поло­вині XX сторіччя пронизала всі наші уявлення про Всесвіт, поширилася нині на значно більші просторово-часові масштаби. Уперше в космології ми дістали прин­ципову можливість поширювати поняття часу в минуле не тільки до моменту початку розширення, а й до «мінус нескінченності».

У новій картині світу змінюються і наші уявлення про місце людини й людства у світобудові. Не виключе­но, що життя і розум існують тільки в нашому міні-всесвіті, а властивості інших міні-всесвітів для життя непридатні.

Методичні міркування. Необхідно звернути увагу учнів на те, що однією з характерних особливостей не-класичної науки XX сторіччя є парадоксальний харак­тер багатьох її положень, який суперечить звичайному здоровому глузду і класичним уявленням природознав-

ства недавнього минулого. Найяскравішим виразом цієї обставини може бути відоме висловлювання Нільса Бора з приводу однієї запропонованої кимось з фізинів нової теорії: «Ця теорія недостатньо божевільна, щоб бути істинною».

Ще і в наш час, в останню чверть XX сторіччя, деякі вчені, зокрема і досить відомі, що тяжіють до класично­го напряму, не можуть примиритися з принципами некласичної фізики й астрофізики. От що, наприклад, пише відомий астрофізик Альвен з приводу загально­прийнятої в сучасному природознавстві космологічної теорії «Всесвіту, що розширюється» і «великого вибу­ху»: «Чим менше існує наукових доказів, тим більш фанатичною стає віра в цей міф. Як вам відомо, ця космологічна теорія вкрай абсурдна — вона твердить, нібито весь Всесвіт виник у якийсь певний момент, по­дібно до вибуху атомної бомби, що має розміри (більші чи менші) головки від шпильки. Схоже на те, що в су­часній інтелектуальній атмосфері величезна перевага космології «великого вибуху» полягає в тому, що вона зневажає здоровий глузд: credo, quia absurdum («вірю, бо це абсурдно»)! Коли вчені воюють з астрологічним безглуздям поза «храмами науки», годилося б пригада­ти, що саме в цих стінах подеколи культивується ще гірше безглуздя».

Подібні висловлювання, зв'язані з недостатнім розу­мінням діалектики розвитку природознавства, дають зайвий привід сучасним релігійним теоретикам проводи­ти паралелі між релігійною системою поглядів і некла-сичною наукою XX сторіччя, полегшуючи тим самим богословам розв'язання завдання, яке вони перед собою поставили,— виправдати релігію, прикриваючись авто­ритетом науки.

Проблема сингулярность Знайомлячись з теоретич­ними моделями Всесвіту, не можна не ввернути увагу на те, що багато які з них приводять до так званої сингулярности Іншими словами, згідно з цими моделями у початковий момент розширення, тобто при t = 0, гу­стина речовини була нескінченно великою! Проблема сингулярності є однією з центральних проблем сучасної космології. З одного боку, ейшптейнівська загальна тео­рія відносності неминуче зумовлює сингулярність. Про­те, з другого боку, стани з нескінченною густиною фізич­но нездійсненні. Складається враження, що поява сингулярності в загальній теорії відносності є наслідком того, що ця теорія незастосовна до станів з дуже вели­кою густиною, що вона тут виходить за межі своєї застосовності.

Яким чином може бути усунена суперечність, що ви­никає? Над розв'язанням цього завдання наполегливо працюють сучасні теоретики — фізики і астрофізики. Можливо, вдасться показати, що виникаюча з точки зору загальної "теорії відносності в процесі еволюції Всесвіту сингулярність не є все ж у межах цієї теорії абсолютно неминучою, що за певних умов її можна позбутися. Дру­гий напрямок пов'язаний з можливістю існування так званої «фундаментальної довжини», тобто якоїсь міні­мальної протяжності, яка визначає межі застосовності відомої нам фізики. Можливий, проте, і третій варіант: не виключено, що межі застосовності загальної теорії відносності визначаються виникненням квантових явищ. За існуючими уявленнями такими межами є часовий ін­тервал близько 10~⁴³ с, протяжність близько 1,6 • Ю"³³ см і густина близько 5 • 10⁹³ г/см³ . У зв'язку з цим робля­ться спроби створення квантової гравітаційної теорії і квантової космології. Саме цей напрям теоретичного пошуку зараз є основним.

Нестаціонарні явища. Одним з найважливіших від­криттів другої половини XX ст., яке значно розширило

наші уявлення про Всесвіт, було відкриття радіогалак­тик. З'ясувалося, що багато зоряних систем — джерела досить інтенсивного радіовипромінення.

Дослідження космічних радіостанцій за допомогою радіотелескопів показало, що джерелом радіовипромі­нювання у цих об'єктів, як правило, є не сама галакти­ка, а два плазмових утворення — «плазмони», симетрич­но розташовані по обидва її боки. Саме в таких плазмо­нах, або, як їх прийнято називати, радіокомпонентах, і відбуваються ті фізичні процеси, які породжують потужне радіовипромінювання.

Яка ж природа цих фізичних процесів, які протягом багатьох мільйонів років підтримують радіовипроміню­вання радіогалактик?

Багато даних свідчать про те, що джерелом енергії радіовипромінювання, очевидно, є активні фізичні про­цеси, що відбуваються в центральних частинах деяких галактик — так званих ядрах. Нерідко ці процеси су­проводжуються викидом значних мас речовини, виді­ленням величезних енергій, а також вибуховими явища­ми. Так, ядро нашої власної Галактики протягом року викидає значні маси водню. Ядра деяких інших галак­тик проявляють набагато більшу активність.

Але навіть потужні енергетичні сплески, які відбу­ваються в ядрах галактик, блякнуть порівняно з проце­сами, що мають місце в об'єктах, які були вперше вияв­лені у 1963 р. і дістали назву квазарів. Ці об'єкти роз­ташовані на колосальних відстанях від нашої галакти­ки біля меж спостережуваного району Всесвіту, і за даними астрофізичних спостережень є компактними утвореннями. Якщо поперечник нашої Галактики дорів­нює 100 тис. св. років, то поперечники квазарів станов­лять усього лише кілька світлових тижнів або місяців. Порівняно з галактиками це «порошинки». Але кожна така «порошинка» випромінює в сотні разів більше енер­гії, ніж найбільші відомі нам галактики!

Так, наприклад, світність^! усієї нашої Галактики становить близько 10³⁷ Вт. У квазарів вона приблизно в 10 тисяч разів більша! А загальна кількість енергії, що її виділяють квазари, оцінюється в 10^м Дж. Це в 10 трильйонів разів більше, ніж виділило Сонце протя­гом усього свого існування. Такої кількості енергії ціл­ком достатньо, щоб підтримувати спостережуване енерговиділення квазарів — 10⁴¹ Вт упродовж сотень тисяч років.

Деякі квазари випромінюють не тільки в оптичному, радіо та інфрачервоному діапазонах електромагнітних хвиль, а й мають потужне рентгенівське і навіть гамма-випромінювання. Так, у квазарів ЗС-273 рентгенівська світність досягає 2 • 10³⁹ Вт.

Систематичні дослідження в рентгенівському і гамма-діапазонах електромагнітних хвиль, що проводяться останніми роками, привели до виявлення кількох косміч­них об'єктів, випромінювання яких на цих довжинах хвиль зазнає різких короткочасних коливань. Мова йде, зокрема, про потужні спалахи гамма-випромінювання. І хоч фізичну природу цих явищ до кінця ще не розкри­то, вони, безперечно, є відбиттям якихось нестаціонар­них процесів, що відбуваються у Всесвіті.

На початку нашого століття будь-які прояви нестаціонарності у Всесвіті, скажімо, пульсації змінних зір цефеїд або спалахи нових і наднових зір, розгляда­лися вченими як своєрідні відхилення від нормальних станів.

«Пульсація цефеїд,— писав, наприклад, фізик-теоретик Артур Еддінгтон,— різновид хвороби, що ура­жує зорі в певний період дитинства; пройшовши через нього безболісно, вони далі існують без пульсацій. На­пади цієї хвороби можуть траплятися й у пізніші періоди життя; зорі зазнають іноді катастрофічних вибухів, які викликають появу нових зір».

Однак астрономічні відкриття XX сторіччя, особливо другої його половини, з усією очевидністю виявили не­спроможність уявлень, що панували свого часу, про стаціонарність Всесвіту і об'єктів, які його населяють. Стало ясно, що не тільки Всесвіт як ціле змінюється з часом, але буквально на всіх рівнях існування матерії відбуваються нестаціонарні процеси, якісні перетворен­ня матерії, глибокі якісні стрибки.

Цей висновок цілком відповідає точці зору діалектич­ного матеріалізму на процес розвитку.

«...Розвиток стрибкоподібний, катастрофічний, рево­люційний; — «перериви поступовості»; перетворення кількості в якість... взаємозалежність і найтісніший, не­розривний зв'язок всіх сторін кожного явища (причому історія відкриває все нові й нові сторони), зв'язок, що дає єдиний, закономірний світовий процес руху,— такі є деякі риси діалектики».

У світлі цього висловлювання В. І. Леніна важлива роль нестаціонарних процесів у розвитку космічних форм матерії постає цілком природною й закономірною. Зараз вже ясно, що ці явища — не випадкові відхилен­ня від норми, а закономірні «поворотні пункти» у роз­витку космічних об'єктів, де здійснюються переходи матерії з одного якісного стану в інший, виникають нові небесні тіла.

Відповідно до цього змінилося і головне завдання сучасної астрофізики: вона перетворилася в еволюційну науку, що вивчає закономірності походження і розвитку космічних об'єктів. При цьому однією з найважливіших проблем сучасної астрофізики стало питання про джерела енергії нестаціонарних процесів, які відбуваються у квазарах і ядрах галактик.

Зараз, мабуть, уже ніхто не сумнівається в тому, що між квазарами і ядрами галактик існує генетичний, тоб­то родинний зв'язок. Однак щодо питання про характер цього зв'язку існують дві точки зору. Згідно з однією з них у центрі галактики в сукупності великої кількості зір і газу утворюється порівняно невелике (розміром 10¹⁶ —10¹⁷ см), але гігантське за масою (близько 10⁸ — 10⁹ мас Сонця) ядро. Якщо галактика повільно обер­тається, то формування такого ядра уявляється досить природним: газ і зорі «стікають» у «потенціальну яму». З точки зору подібної гіпотези колосальна світність квазарів пояснюється виділенням при гравітаційному стисненні величезної кількості енергії.

За іншою гіпотезою, квазари — давніші утворення, ніж галактики. Квазари в середньому розташовані далі, ніж галактики з активними ядрами. А це означає, що вони виникли раніше зоряних систем (адже чим далі знаходиться від нас космічний об'єкт, тим у більш від­даленому минулому ми його спостерігаємо) і вже потім «обростали» зорями, стаючи ядрами зоряних систем, що формуються навколо них. На користь такого припущен­ня говорить і подібність фізичних процесів, що відбува­ються в квазарах і ядрах деяких зоряних систем. Крім того, останнім часом виявлено ряд квазарів, оточених зорями.

Що ж стосується джерел енергії, які «працюють» у квазарах і активних ядрах галактик, то щодо цього є ряд припущень. Дуже цікавою е гіпотеза «чорних дір». «Чорна діра» — досить своєрідний об'єкт, теоретична можливість існування якого випливає із загальної тео­рії відносності. За певних умов компактний згусток ре­човини може під дією власного тяжіння зазнати ката­строфічного стиснення й перетворитися на об'єкт, який відзначається настільки потужним притяганням, що його не зможе здолати жоден фізичний сигнал. Ні про­мінь світла, ні радіохвиля, ні крихта не зможуть «ви­рватися» з такого утворення назовні. Це і є «чорна діра».

Водночас «чорна діра» здатна втягувати у себе нав­колишню речовину. При цьому кінетична енергія па­даючої речовини в гравітаційному полі «чорної діри» може перетворюватися на інші види енергії. Вислов­люється припущення, за яким у центральних частинах квазарів і ядер галактик знаходяться надмасивні «чорні діри». Вони інтенсивно «всмоктують» навколишню речо­вину, при цьому виділяється величезна енергія.

Це теоретичне припущення нещодавно дістало цікаве спостережне підтвердження. У безпосередній близькості від центра галактики М-87 з дуже активним ядром було виявлено слабосвітний компактний згусток, маса якого становить 6 млрд, сонячних мас. Не виключено, що це і е надмасивна «чорна діра», впливом якої пояснюється висока фізична активність ядра галактики М-87.