Реферат: Узловые вопросы теории "Большого Взрыва"
От Солнца Земля находится на расстоянии, оптимальном для существования на нашей планете жизни. Скорость вращения Земли; ее океаны и атмосфера; Луна; массивный Юпитер, который отклоняет кометы, угрожающие нашей планете (как комета Шумейкера-Леви) своим притяжением - все это служит поддержанию жизни на Земле. Похоже, что и Вселенная, и Солнечная система, и Земля созданы специально для человека. Наука признает этот факт и называет его антропным принципом.
То, что Создателя нельзя обнаружить и измерить с помощью научных инструментов, отнюдь не значит, что Его нет. Но это толкает ученых на поиски альтернативных объяснений. Один астроном предположил, что наша Вселенная была создана невесть откуда взявшимися разумными существами. Другой считает, что Вселенная - одна из миллиардов вселенных, единственная, имеющая все условия для существования жизни...
Сэр Фред Хойл, известный астроном, как-то писал: “Картина Вселенной, образования галактик и звезд, по крайней мере, как она предстает в астрономии, удивительно нечетка, как пейзаж, видимый в тумане. Очевидно, что в изучении космологии упущен один компонент, который предполагает разумный замысел”.
Так был ли большой взрыв? Красное смещение и фоновое излучение не могут служить убедительными доказательствами этому. Законы термодинамики; гравитации и теория информации, тем не менее, дают достаточно однозначный ответ. Никакого взрыва не было.
Но ведь можно учесть, что если концепция о "Большом Взрыве" верна, то он должен был бы оставить в космосе своего рода "след", "эхо". Такой "след" был обнаружен. Пространство Вселенной оказалось пронизано радиоволнами миллиметрового диапазона, разбегающимися равномерно по всем направлениям. Это "реликтовое излучение Вселенной" и есть приходящий из прошлого след сверхплотного, сверхраскаленного ее состояния, когда не было еще ни звезд, ни туманностей, а материя представляла собой дозвездную, догалактическую плазму.
Теоретически концепция "расширяющейся Вселенной" была выдвинута известным ученым А.А.Фридманом в 1922-1924 годах. Десятилетия спустя она получила практическое подтверждение в работах американского астронома Э.Хаббла, изучавшего движение галактик. Хаббл обнаружил, что галактики стремительно разбегаются, следуя некоему импульсу, заданному в момент "Большого Взрыва". Если разбегание это не прекратится, будет продолжаться неограниченно, то расстояние между космическими объектами будет возрастать, стремясь к бесконечности. По расчетам Фридмана, именно так должна была бы проходить дальнейшая эволюция Вселенной. Однако при одном условии - если средняя плотность массы Вселенной окажется меньше некоторой критической величины (эта величина составляет примерно три атома на кубический метр). Какое-то время назад данные, полученные американскими астрономами со спутника, исследовавшего рентгеновское излучение далеких галактик, позволили рассчитать среднюю плотность массы Вселенной. Она оказалась очень близка к той критической массе, при которой расширение Вселенной не может быть бесконечно.
Обратиться к изучению Вселенной посредством исследования рентгеновских излучений пришлось потому, что значительная часть ее вещества не воспринимается оптически. По крайней мере 50% массы нашей Галактики мы "не видим", писал журнал английских ученых "New Scientist". Об этом не воспринимаемом нами веществе свидетельствуют, в частности, гравитационные силы, которые определяют движение нашей и других галактик, движение звездных систем. Вещество это может существовать в виде "черных дыр", масса которых составляет сотни миллионов масс нашего Солнца, в виде нейтрино или других каких-то неизвестных нам форм. Не воспринимаемые, как и "черные дыры", короны галактик могут быть, считают некоторые, в 5-10 раз больше массы самих галактик.
Предположение, что масса Вселенной значительно больше, чем принято считать, нашло новое весьма веское подтверждение в работах физиков. Ими были получены первые данные о том, что один из трех видов нейтрино обладает массой покоя. Если остальные нейтрино имеют те же характеристики, то масса нейтрино во Вселенной в 100 раз больше, чем масса обычного вещества, находящегося в звездах и галактиках.
Это открытие позволяет с большей уверенностью говорить, что расширение Вселенной будет продолжаться лишь до некоторого момента, после которого процесс обратится вспять - галактики начнут сближаться, стягиваясь снова в некую точку. Вслед за материей будет сжиматься в точку пространство. Произойдет то, что астрономы обозначают сегодня словами "Схлопывание Вселенной".
Заметим ли мы или, скажем, обитатели других миров, существующих в космосе, сжатие Вселенной, начало страшного ее возврата в первоначальный, первозданный хаос? Нет и никогда. Слишком несоизмеримы периоды жизни разумных существ и даже их цивилизаций с эпохами жизни Вселенной. Мы не можем заметить поворота времени, который должен будет произойти, когда Вселенная, достигнув максимума своего разбега, начнет сжиматься.
Поворот течения времени, в масштабах Вселенной, аналогичен подобному же событию, происходящему на сжимающейся, "коллапсирующей" звезде. Условные часы, находящиеся на поверхности такой звезды, сначала должны будут замедлить свой ход, затем, когда сжатие достигнет критического гравитационного "горизонта событий", они остановятся. Когда же звезда "провалится" из нашего пространства-времени, условные стрелки на условных часах двинутся в противоположную сторону - время пойдет обратно. Но всего этого сам гипотетический наблюдатель, находящийся на такой звезде, не заметит. Замедление, остановку и изменение направления времени мог бы воспринять только некто наблюдающий происходящее как бы со стороны, находящийся вне "схлопывающейся" системы. Если наша Вселенная единственная и нет ничего вне ее - ни материи, ни времени, ни пространства, - то не может быть и некоего взгляда со стороны, который мог бы заметить, когда время изменит ход и потечет вспять.
Некоторые ученые считают, что событие это в нашей Вселенной уже произошло, галактики падают друг на друга, и Вселенная вступила в эпоху своей гибели. Существуют математические расчеты и соображения, подтверждающие эту мысль. Сторонники этой точки зрения вспоминают в этой связи одно из "темных мест" Платона. В диалоге "Политик" Платон говорит о времени, которое некогда внезапно "потекло вспять", о странных космических явлениях, сопровождавших это событие. Многие века это сообщение не поддавалось расшифровке, пока в современной космогонии не появились данные, позволяющие попытаться понять его с позиций сегодняшнего знания.
Что произойдет после того, как Вселенная вернется в некую исходную точку? После этого начнется новый цикл, произойдет очередной "Большой Взрыв", праматерия ринется во все стороны, раздвигая и творя пространство, снова возникнут галактики, звездные скопления, жизнь. Такова, в частности, космологическая модель американского астронома Дж.Уиллера, модель попеременно расширяющейся и "схлопывающейся" Вселенной.
Известный математик и логик Курт Гёдель математически обосновал то положение, что при определенных условиях наша Вселенная действительно должна возвращаться к своей исходной точке с тем, чтобы потом опять совершить тот же цикл, завершая его новым возвращением к исходному своему состоянию. Этим расчетам соответствует и модель английского астронома П.Дэвиса, модель "пульсирующей Вселенной". Но что важно - Вселенная Дэвиса включает в себя замкнутые линии времени, иначе говоря, время в ней движется по кругу. Число возникновений и гибели, которые переживает Вселенная, бесконечно.
И снова - свидетельства прошлого. За тысячи лет до того, как современное логически выдержанное, рациональное знание пришло к этой картине мира, подобное представление устойчиво присутствовало в сознании древнего человека. Вселенная, писал шумерский философ и жрец Бероуз (III в.н.э.), периодически уничтожается и потом воссоздается снова. Из древнего Шумера эта концепция пришла в эллинский мир, Рим, Византию. Или, если вспомнить Библию: «Все возвращается на круги своя…».
А как представляет себе гибель Вселенной современная космогония? Известный американский физик С.Вайнберг описывает это так. После начала сжатия в течение тысяч и миллионов лет не произойдет ничего, что могло бы вызвать тревогу наших отдаленных потомков. Однако, когда Вселенная сожмется до 1/100 теперешнего размера, ночное небо будет источать на Землю столько же тепла, сколько сегодня дневное. Затем через 70 миллионов лет Вселенная сократится еще в десять раз и тогда "наши наследники и преемники (если они будут) увидят небо невыносимо ярким". Еще через 700 лет космическая температура достигнет десяти миллионов градусов, звезды и планеты начнут превращаться в "космический суп" из излучения, электронов и ядер.
После сжатия в точку, после того, что мы именуем гибелью Вселенной (но что, может, вовсе и не есть ее гибель), начинается новый цикл. Вспомним об упомянутом уже реликтовом излучении, эхе "Большого Взрыва", породившего нашу Вселенную. Излучение это, оказывается, приходит не только из прошлого, но и "из будущего"! Это отблеск "мирового пожара", исходящего от следующего цикла, в котором рождается новая Вселенная. Температура реликтового излучения, наблюдаемого сегодня, на 3градуса выше абсолютного нуля. Это и есть температура "электромагнитной зари", знаменующей рождение новой Вселенной.
Реликтовое излучение - только ли оно пронизывает наш мир, приходя как бы с двух сторон - из прошлого и грядущего? Только ли это? Материя, составляющая мир, Вселенную и нас, возможно, несет в себе некую информацию. Исследователи с долей условности, но говорят уже о "внутреннем опыте", своего рода "памяти" молекул, атомов, элементарных частиц. Атомы углерода, побывавшего в живых существах "биогенные".
Коль скоро в момент схождения Вселенной в точку материя не исчезает, то не исчезает, неуничтожима и информация, которую она несет. Наш мир заполнен ею, как он заполнен, материей, составляющей его. Вселенная, что придет на смену нашей, будет ли она её повторением? Вполне возможно, отвечают некоторые космологи. Вовсе не обязательно, возражают другие. Нет никаких физических обоснований, считает, например, доктор Р.Дик из Принстонского университета, чтобы всякий раз в момент образования Вселенной физические закономерности были те же, что и в момент начала нашего цикла. Если же эти закономерности будут отличаться даже самым незначительным образом, то звезды не смогут впоследствии создать тяжелые элементы, включая углерод, из которого построена жизнь. Цикл за циклом Вселенная может возникать и уничтожаться, не зародив ни искорки жизни. Такова одна из точек зрения. Ее можно было бы назвать точкой зрения "прерывистости бытия". Оно прерывисто, даже если в новой Вселенной и возникает жизнь: никакие нити не связывают ее с прошлым циклом.
По другой же точке зрения, наоборот, «Вселенная помнит всю свою предысторию, сколь бы далеко (даже бесконечно далеко) в прошлое она ни уходила»…
Заключение:
Неужто физики взорвут Землю?
Признанные мировые авторитеты в космологии, профессор Аллен Гет из Массачусетского технологического института и его коллега Эдвард Ленге из Станфордского университета, пришли к выводу, что уже сегодня можно воспроизвести некоторые условия, существовавшие при рождении нашего мира. И тем самым положить начало еще одной, альтернативной Вселенной!
Путь к созданию такого эффекта в принципе прост, рассуждали властители дум. Нужно взять какое-то количество вещества и сжать его до предела, до той неимоверной плотности, при которой оно и может породить Большой взрыв.
Однако несложной такая процедура выглядит, конечно, только на бумаге. Каким способом добиться столь чудовищного давления, что оно даст – переход количества в новое качество? Этого толком не знали тогда даже сами авторы идеи. Они полагали, что важен уже сам по себе побудительный толчок.
Тем более что кроме слов имелись и экспериментальные установки. Эдвард Ленге высказал идею, что к этому делу можно приспособить самые мощные из современных ускорителей. Разогнать в них два встречных пучка частиц да и столкнуть их на страшной скорости. В результате разовьется сумасшедшее давление, которое мы никак не можем получить другим способом, и…
Чисто теоретическая идея, как это порой бывает, со временем получила поддержку со стороны экспериментаторов. И вот согласно замыслу теоретиков Брукхевенской лаборатории, в 4-километровом ускорителе сверхмощные магниты разгоняют в вакууме ионы золота, которые, столкнувшись между собой, образуют мельчайшие «капельки» сверхплотной материи с температурой в 10 тысяч раз большой, чем в недрах Солнца. Именно тогда и возникнут условия, которые привели 12 миллиардов лет назад к Большому взрыву.
Подробности этого опыта описаны в научном журнале «CERNcourier» осенью 1999 года. Здесь сообщается, что в одном из двух колец релятивистского коллайдера (ускорителя-сталкивателя) тяжелых ионов RHIC в Брукхевене начались эксперименты с пучками ядер золота. После испытания систем ускорения пучка установка была подготовлена к экспериментам по получению кварк-глюонной плазмы – состояния вещества, в котором оно находилось в первые мгновения после рождения Вселенной.
Далее, в ноябре 1999 года началась программа научных исследований на RHIC. Однако эта новость вызвала неоднозначную реакцию в научных кругах. В печати развернулась оживленная дискуссия о возможных последствиях эксперимента.
Джон Марбугер, директор Брукхвенской лаборатории, поручил комитету физиков исследовать возможность катастрофического бедствия при реализации этого проекта. Он полагает: существует риск того, что эта установка может породить новый тип материи из «странных кварков» (так называемые «strangequarks»), неких субатомных частиц.
Физики-теоретики из комитета просчитали возможность того, что может начаться неконтролируемая реакция по превращению всей материи в новое состояние.
Они даже обсудили шансы, пусть даже маловероятные, что сталкивающиеся частицы достигнут такой высокой плотности, что в итоге образуется черная дыра.
Как полагают, черные дыры создают в пространстве сверхмощные гравитационные поля, вовлекающие внутрь все окружающее вещество. И если вдруг такого рода черная дыра образуется в лаборатории, то вся наша планета будет разрушена, ее вещество окажется вовлеченным в гравитационную воронку.
Тем не менее, американские физики все же начали очередную серию экспериментов. Правда, эксперимент начали с получения только лишь пучка заряженных частиц внутри ускорителя, пока без попытки столкновения встречных пучков. Внутри ускорителя с атомов золота «обдираются» внешние электроны и затем ядра ускоряются в двух кольцах диаметром 2, 4 мили каждое. При этом частицы обретают скорость, равную 99,9% от скорости света.
В принципе, ионы в двух кольцах могут двигаться в разных направлениях. И когда два пучка выводят навстречу друг другу, они сталкиваются с чудовищными скоростями и энергиями. При этом, по расчетам физиков должна образоваться суперплотная материя с температурой в триллион градусов.
Таких условий во Вселенной в настоящее время не существует даже в глубинах больших звезд – они были лишь в момент рождения Вселенной при Большом Взрыве, который, как полагают, имел место 12-15 миллиардов лет тому назад.
При таких параметрах ядра атомов «испаряются» и создадут плазму из частиц, которые называют кварками и глюонами. Полученная кварк-глюонная плазма, состоящая из частиц меньших размеров обычного ядра, по мнению экспериментаторов, может вызвать так называемый ливень рождения других частиц.
Среди этих частиц могут образовываться и так называемые странные кварки. Они уже детектировались на некоторых ускорителях, но при этом оказывались всегда присоединены к другим частицам. Данный же коллайдер, по мнению исследователей, способен создать условия для возникновения уединенного странного кварка, что и было характерно в первые мгновения существования Вселенной.