În 1917, A. Einstein a construit un model al Universului. În acest model, o forță de respingere cosmologică numită parametru lambda a fost folosită pentru a depăși instabilitatea gravitațională a Universului. Mai târziu, Einstein va spune că aceasta a fost cea mai gravă greșeală a lui, contrar spiritului teoriei relativității pe care a creat-o: forța gravitației în această teorie este identificată cu curbura spațiului-timp. Universul lui Einstein avea forma unui hipercilindru, a cărui întindere era determinată de numărul total și compoziția formelor de manifestare a energiei (materie, câmp, radiație, vid) din acest cilindru. Timpul în acest model este direcționat de la trecutul infinit către viitorul infinit. Astfel, aici cantitatea de energie și masa Universului (materie, câmp, radiație, vid) este proporțional legată de structura sa spațială: limitată în formă, dar de rază infinită și infinită în timp.

Cercetătorii care au început să analizeze acest model au observat

la instabilitatea sa extremă, asemănătoare unei monede care stă pe marginea ei, o parte a cărei față corespunde Universului în expansiune, cealaltă cu cea închisă: luând în considerare unii parametri fizici ai Universului, după modelul lui Einstein, se dovedește a fi veșnic în expansiune, când ținem cont de alții – închis. De exemplu, astronomul olandez W. de Sitter, după ce a presupus că timpul este curbat în același mod ca spațiul în modelul lui Einstein, a primit un model al Universului în care timpul se oprește complet în obiecte foarte îndepărtate.

Un liberdom,fȘihIRȘi matematician al Universității din Petrograd, publicatV1922 G. articol« DESPREcurburăspaţiu."ÎN a prezentat rezultatele studiilor teoriei generale a relativității, care nu excludeau posibilitatea matematică a existenței a trei modele ale Universului: modelul Universului în spațiul euclidian ( LA = 0); model cu un coeficient egal cu ( K> 0) și un model în spațiul Lobachevsky - Bolyai ( LA< 0).

În calculele sale, A. Friedman a pornit din poziţia că valoarea şi

Raza Universului este proporțională cu cantitatea de energie, materie și altele

forme ale manifestării sale în Univers în ansamblu. Concluziile matematice ale lui A. Friedman au negat necesitatea introducerii unei forțe respingătoare cosmologice, întrucât teoria generală a relativității nu exclude posibilitatea existenței unui model al Universului în care procesul de expansiune a acestuia corespunde unui proces de compresie asociat. cu o creștere a densității și presiunii energiei-materiei care formează Universul (materie, câmp, radiație, vid). Concluziile lui A. Friedman au ridicat îndoieli în rândul multor oameni de știință și în rândul lui A. Einstein. Deși deja în 1908, matematicianul G. Minkowski, după ce a dat o interpretare geometrică a teoriei relativității speciale, a primit un model al Universului în care coeficientul de curbură este zero ( LA = 0), adică un model al Universului în spațiul euclidian.

N. Lobachevsky, fondatorul geometriei non-euclidiene, a măsurat unghiurile unui triunghi între stele aflate la distanță de Pământ și a descoperit că suma unghiurilor unui triunghi este 180°, adică spațiul din spațiu este euclidian. Spațiul euclidian observat al Universului este unul dintre misterele cosmologiei moderne. În prezent se crede că densitatea materiei

în Univers este de 0,1-0,2 părți din densitatea critică. Densitatea critică este de aproximativ 2.10 -29 g/cm3. După ce a atins densitatea critică, Universul va începe să se contracte.

A. Modelul lui Friedman cu "LA > 0" este Universul în expansiune față de original

starea ei la care trebuie să se întoarcă din nou. În acest model a apărut conceptul de vârstă a Universului: prezența unei stări anterioare relativ la ceea ce s-a observat la un moment dat.

Presupunând că masa întregului Univers este egală cu 5 10 2 1 mase solare, A.

Friedman a calculat că Universul observabil se afla într-o stare comprimată

dupa model" K > 0" acum aproximativ 10-12 miliarde de ani. După aceasta, a început să se extindă, dar această expansiune nu va fi nesfârșită și după un anumit timp Universul se va contracta din nou. A. Friedman a refuzat să discute despre fizica stării inițiale, comprimate, a Universului, deoarece legile microlumii nu erau clare în acel moment. Concluziile matematice ale lui A. Friedman au fost verificate și verificate în mod repetat nu numai de A. Einstein, ci și de alți oameni de știință. După un anumit timp, A. Einstein, ca răspuns la scrisoarea lui A. Friedman, a recunoscut corectitudinea acestor decizii și l-a numit pe A. Friedman „primul om de știință care a urmat calea construirii modelelor relativiste ale Universului”. Din păcate, A. Friedman a murit devreme. În persoana lui, știința a pierdut un om de știință talentat.

După cum sa menționat mai sus, nici A. Friedman, nici A. Einstein nu cunoșteau datele despre faptul „împrăștierii” galaxiilor, obținute de astronomul american V. Slifer (1875-1969) în 1912. Până în 1925, el a măsurat viteza de mișcare. de câteva zeci de galaxii. Prin urmare, ideile cosmologice ale lui A. Friedman au fost discutate mai ales în termeni teoretici. NOdeja V 1929

G.americanastronom E. Hubble (1889-1953) Cu cu ajutor telescop cu spectrul instrumentelorAanaliza linieidinaripa tAa sunaespălatuhefect

"roșudeplasare." Lumina provenind din galaxii pe care a observat-o

mutat la partea roșie a spectrului de culoare a luminii vizibile. Aceasta a insemnat

că galaxiile observate se îndepărtează, „împrăștiindu-se” de observator.

Efectul de deplasare la roșu este un caz special al efectului Doppler. Omul de știință austriac K. Doppler (1803-1853) a descoperit-o în 1824. Când sursa de undă se îndepărtează față de dispozitivul care înregistrează undele, lungimea de undă crește și devine mai scurtă atunci când se apropie de un receptor de unde staționare. În cazul undelor luminoase, undele lungi de lumină corespund segmentului roșu al spectrului luminos (roșu - violet), cele scurte - segmentului violet. Efectul „deplasare spre roșu” a fost folosit de E. Hubble pentru a măsura distanțele până la galaxii și viteza de îndepărtare a acestora: dacă „deplasarea spre roșu” din galaxie A, De exemplu, durerewe V Două ori, Cum din galaxii ÎN, apoi distanța până la galaxie A de două ori mai mult decât înainte de galaxie ÎN.

E. Hubble a descoperit că toate galaxiile observate se îndepărtează în toate direcțiile sferei cerești cu o viteză proporțională cu distanța până la ele: Vr = HR, Unde r - distanța până la galaxia observată, măsurată în parsecs (1 ps este aproximativ egal cu 3,1 10 1 6 m), Vr - viteza de mișcare a galaxiei observate, Η - Constanta lui Hubble sau coeficientul de proporționalitate dintre viteza unei galaxii și distanța acesteia

de la observator. Sfera cerească este un concept care este folosit pentru a descrie cu ochiul liber obiectele de pe cerul înstelat. Anticii considerau sfera cerească a fi o realitate, pe partea interioară a căreia erau fixate stelele. Calculând valoarea acestei mărimi, care mai târziu a devenit cunoscută drept constanta Hubble, E. Hubble a ajuns la concluzia că era de aproximativ 500 km/(s Mpc). Cu alte cuvinte, o bucată de spațiu de un milion de parsecs crește cu 500 km într-o secundă.

Formulă Vr= HR ne permite să luăm în considerare atât îndepărtarea galaxiilor, cât și situația inversă, mișcarea către o anumită poziție inițială, începutul „împrăștierii” galaxiilor în timp. Reciproca constantei Hubble are dimensiunea timpului: t(timp) = r/Vr = 1/H. Când valoare N, care a fost menționat mai sus, E. Hubble a obținut ca timpul pentru începerea „împrăștierii” galaxiilor să fie egal cu 3 miliarde de ani, ceea ce l-a făcut să se îndoiască de relativitatea corectitudinii valorii pe care a calculat-o. Folosind efectul „deplasare spre roșu”, E. Hubble a ajuns la cele mai îndepărtate galaxii cunoscute la acea vreme: cu cât galaxia este mai îndepărtată, cu atât luminozitatea ei este mai mică percepută de noi. Acest lucru i-a permis lui E. Hubble să spună că formula Vr = HR exprimă faptul observat al expansiunii Universului, care a fost discutat în modelul lui A. Friedman. Cercetările astronomice ale lui E. Hubble au început să fie considerate de un număr de oameni de știință drept o confirmare experimentală a corectitudinii modelului lui A. Friedman al unui Univers nestaționar, în expansiune.

Deja în anii 1930, unii oameni de știință și-au exprimat îndoieli cu privire la date

E. Hubble. De exemplu, P. Dirac a prezentat o ipoteză despre înroșirea naturală a cuantelor de lumină datorită naturii lor cuantice și a interacțiunii cu câmpurile electromagnetice ale spațiului cosmic. Alții au subliniat inconsistența teoretică a constantei Hubble: de ce ar trebui valoarea constantei Hubble să fie aceeași în fiecare moment în evoluția Universului? Această constanță stabilă a constantei Hubble sugerează că legile Universului cunoscute nouă, care operează în Megagalaxie, sunt obligatorii pentru întregul Univers în ansamblu. Poate, așa cum spun criticii constantei Hubble, există alte legi pe care constanta Hubble nu le va respecta.

De exemplu, spun ei, lumina se poate „înroși” datorită influenței mediului interstelar (ISM) și intergalactic (IGM), care poate prelungi lungimea de undă a mișcării sale către observator. O altă problemă care a dat naștere discuțiilor în legătură cu cercetările lui E. Hubble a fost problema presupunerii posibilității ca galaxiile să se deplaseze cu viteze care depășesc viteza luminii. Dacă acest lucru este posibil, atunci aceste galaxii ar putea dispărea din observația noastră, deoarece din teoria generală a relativității niciun semnal nu poate fi transmis mai repede decât lumina. Cu toate acestea, majoritatea oamenilor de știință cred că observațiile lui E. Hubble au stabilit faptul expansiunii Universului.

Faptul de expansiune a galaxiilor nu înseamnă expansiune în interiorul galaxiilor în sine, deoarece certitudinea lor structurală este asigurată de acțiunea forțelor gravitaționale interne.

Observațiile lui E. Hubble au contribuit la continuarea discuțiilor despre modelele lui A. Friedman. BelgiancălugărȘiastronomȘI.Lemetr(VneRurlajumate)secolplătitfiţi atențiAțiepeslesuflarecircumstanţă:recesiunea galaxieimijloaceextensiespaţiu,prin urmare,Vtrecut

a fostscădeavolumȘiPlrelaţiiVesocietate. Lemaitre a numit densitatea inițială a substanței un proto-atom cu o densitate de 10 9 3 g/cm 3, din care Dumnezeu a creat lumea. Din acest model rezultă că conceptul de densitate a materiei poate fi folosit pentru a determina limitele de aplicabilitate ale conceptelor de spațiu și timp. La o densitate de 10 9 3 g/cm 3 conceptele de timp și spațiu își pierd sensul fizic obișnuit. Acest model a atras atenția asupra stării fizice cu parametri fizici super-densi și super-fierbinți. În plus, au fost propuse modele pulsandUnivers: Universul se extinde și se contractă, dar nu atinge niciodată limite extreme. Modelele cu Univers pulsatoriu pun mare accent pe măsurarea densității energie-materie a Universului. Când se atinge o limită critică de densitate, Universul se extinde sau se contractă. Drept urmare, a apărut termenul „singuleurnoe"(lat. singularus - o stare separată, unică), în care densitatea și temperatura capătă o valoare infinită. Această linie de cercetare s-a confruntat cu problema „masei ascunse” a Universului. Cert este că masa observată a Universului nu coincide cu masa sa calculată pe baza modelelor teoretice.

Model"Mareexplozie." Compatriotul nostru G. Gamow (1904-1968)

a lucrat la Universitatea din Petrograd și era familiarizat cu ideile cosmologice

A. Friedman. În 1934, a fost trimis într-o călătorie de afaceri în SUA, unde a rămas până la sfârșitul vieții. Sub influența ideilor cosmologice ale lui A. Friedman, G. Gamow a devenit interesat de două probleme:

1) abundența relativă a elementelor chimice din Univers și 2) originea lor. Până la sfârșitul primei jumătăți a secolului al XX-lea. A existat o discuție vie despre aceste probleme: unde se pot forma elemente chimice grele dacă hidrogenul (1 1 H) și heliul (4 H) sunt cele mai abundente elemente chimice din Univers. G. Gamow a sugerat că elementele chimice își urmăresc istoria până la începutul expansiunii Universului.

ModelG.GamovanAnumitmodel"Mareexplozie",nOeaAre

ȘialteNume:„Teoria A-B-D”. Acest titlu indică literele inițiale ale autorilor articolului (Alpher, Bethe, Gamow), care a fost publicat în 1948 și conținea un model al „universului fierbinte”, dar ideea principală a acestui articol i-a aparținut lui G. Gamow. .

Pe scurt despre esența acestui model:

1. „Începutul original” al Universului, conform modelului lui Friedman, a fost reprezentat de o stare super-densă și super-fierbinte.

2. Această stare a apărut ca urmare a comprimării anterioare a întregii componente materiale și energetice a Universului.

3. Această condiție corespundea unui volum extrem de mic.

4. Energia-materia, atinsă o anumită limită de densitate și temperatură în această stare, a explodat, a avut loc un Big Bang, pe care Gamow l-a numit

„Big Bang cosmologic”.

5. Vorbim despre o explozie neobișnuită.

6. Big Bang-ul a dat o anumită viteză de mișcare tuturor fragmentelor din starea fizică originală înainte de Big Bang.

7. Deoarece starea inițială era superfierbintă, expansiunea ar trebui să păstreze rămășițele acestei temperaturi în toate direcțiile Universului în expansiune.

8. Valoarea acestei temperaturi reziduale ar trebui să fie aproximativ aceeași în toate punctele Universului.

Acest fenomen a fost numit relict (vechi), radiație de fond.

1953 G. Gamow a calculat temperatura undei a radiației cosmice de fond cu microunde. L

s-a dovedit a fi de 10 K. Radiația CMB este radiație electromagnetică de microunde.

În 1964, specialiștii americani A. Penzias și R. Wilson au descoperit accidental radiații relicte. După ce au instalat antenele noului radiotelescop, acestea nu au putut scăpa de interferența în intervalul de 7,8 cm.Această interferență și zgomot proveneau din spațiu, identice ca dimensiune și în toate direcțiile. Măsurătorile acestei radiații de fond au dat o temperatură mai mică de 10 K.

Astfel, a fost confirmată ipoteza lui G. Gamow despre relicte, radiația de fond. În lucrările sale despre temperatura radiației de fond, G. Gamow a folosit formula lui A. Friedman, care exprimă dependența modificărilor densității radiației în timp. În parabolic ( K> 0) modele ale Universului. Friedman a considerat o stare în care radiația domină materia unui Univers care se extinde infinit.

După modelul lui Gamow, au existat două ere în dezvoltarea Universului: a) predominanța radiațiilor (câmpului fizic) asupra materiei;

b) predominanţa materiei asupra radiaţiilor. În perioada inițială, radiațiile predominau asupra materiei, apoi a existat o perioadă în care raportul lor a fost egal și o perioadă în care materia a început să predomine asupra radiațiilor. Gamow a determinat granița dintre aceste ere - 78 de milioane de ani.

La sfârşitul secolului al XX-lea. măsurarea modificărilor microscopice ale radiației de fond, care a fost numită ciupit de vărsatbYu, au determinat un număr de cercetători să susțină că aceste ondulații reprezintă o schimbare a densității substanteȘienergieGIIV ca urmare a acţiunii forţelor gravitaţionale asupra stadii incipiente de dezvoltare Univers.

Model "ÎnflyatsiOnnoyUnivers".

Termenul „inflație” (lat. "inflatie") este interpretată ca umflare. Doi cercetători A. Guth și P. Seinhardt au propus acest model. În acest model, evoluția Universului este însoțită de o umflare gigantică a vidului cuantic: în 10 -30 s dimensiunea Universului crește de 10 50 de ori. Inflația este un proces adiabatic. Este asociată cu răcirea și apariția diferențelor între interacțiunile slabe, electromagnetice și puternice. O analogie pentru inflația Universului poate fi, în linii mari, reprezentată de cristalizarea bruscă a unui lichid suprarăcit. Inițial, faza inflaționistă a fost considerată „renașterea” Universului după Big Bang. În prezent, modelele de inflație folosesc conceptul ȘinflatonnOthcâmpuri. Acesta este un câmp ipotetic (de la cuvântul „inflație”), în care, datorită fluctuațiilor aleatoare, s-a format o configurație omogenă a acestui câmp cu o dimensiune mai mare de 10 -33 cm. Din aceasta a rezultat expansiunea și încălzirea Universul în care trăim.

Descrierea evenimentelor din Univers pe baza modelului „Universul inflaționist” coincide complet cu descrierea pe baza modelului Big Bang, începând de la 10 -30 de la expansiune. Faza de inflație înseamnă că Universul observabil este doar o parte a Universului. În manualul lui T. Ya. Dubnischeva „Conceptele științelor naturale moderne” următorul curs de evenimente este propus conform modelului „Universului inflaționist”:

1) t - 10 - 4 5 s. În acest moment, după ce a început expansiunea Universului, raza acestuia era de aproximativ 10 -50 cm.Acest eveniment este neobișnuit din punctul de vedere al fizicii moderne. Se presupune că este precedat de evenimente generate de efectele cuantice ale câmpului inflaton. Acest timp este mai mic decât timpul „erei Planck” - 10 - 4 3 s. Dar acest lucru nu-i încurcă pe susținătorii acestui model, care efectuează calcule cu un timp de 10 -50 s;

2) t - aproximativ de la 10 -43 la 10 -35 s - epoca „Mării Uniri” sau unificarea tuturor forțelor de interacțiune fizică;

3) t - aproximativ de la 10 - 3 5 la 10 -5 - partea rapidă a fazei inflaționiste,

când diametrul Universului a crescut de 10 5 0 ori. Vorbim despre apariția și formarea unui mediu electron-quark;

4) t- aproximativ de la 10 -5 la 10 5 s, mai întâi are loc reținerea quarcilor în hadroni, iar apoi formarea nucleelor ​​atomilor viitori, din care se formează ulterior materia.

Din acest model rezultă că după o secundă de la începutul expansiunii Universului are loc procesul de apariție a materiei, separarea acesteia de fotonii de interacțiune electromagnetică și formarea de protosuperclustere și protogalaxii. Încălzirea are loc ca urmare a apariției particulelor și antiparticulelor care interacționează între ele. Acest proces se numește anihilare (lat. nihil - nimic sau transformare în nimic). Autorii modelului cred că anihilarea este asimetrică față de formarea particulelor obișnuite care alcătuiesc Universul nostru. Astfel, ideea principală a modelului „Univers inflaționist” este excluderea conceptului de

„Big Bang” ca stare specială, neobișnuită, excepțională în evoluția Universului. Cu toate acestea, o condiție la fel de neobișnuită apare în acest model. Acesta este statul configuraţii şinfcâmp laton. Vârsta Universului în aceste modele este estimată la 10-15 miliarde de ani.

„Modelul inflaționist” și modelul „Big Bang” oferă o explicație pentru eterogenitatea observată a Universului (densitatea condensării materiei). În special, se crede că în timpul inflației Universului, neomogenitățile-texturi cosmice au apărut ca embrioni de agregate de materie, care au crescut ulterior în galaxii și grupurile lor. Acest lucru este dovedit de ceea ce a fost înregistrat în 1992. abaterea temperaturii radiației cosmice de fond cu microunde de la valoarea sa medie de 2,7 K este de aproximativ 0,00003 K. Ambele modele vorbesc despre un Univers fierbinte în expansiune, în medie omogen și izotrop în raport cu radiația cosmică de fond cu microunde. În acest din urmă caz, ne referim la faptul că radiația cosmică de fond cu microunde este aproape identică în toate părțile Universului observabil în toate direcțiile de la observator.

Există alternative la modelele Big Bang și inflaționiste.

Univers”: modele ale „Universului staționar”, „Universul rece” și

„Cosmologie auto-consistentă”.

Model"StaționarUnivers." Acest model a fost dezvoltat în 1948. Sa bazat pe principiul „constanței cosmologice” a Universului: nu numai că nu ar trebui să existe un singur loc alocat în Univers, dar nici un singur moment în timp nu ar trebui să fie alocat. Autorii acestui model sunt G. Bondi, T. Gold și F. Hoyle, acesta din urmă un cunoscut autor de cărți populare despre cosmologie. Într-una dintre lucrările sale el a scris:

„Fiecare nor, galaxie, fiecare stea, fiecare atom a avut un început, dar nu întregul Univers, Universul este ceva mai mult decât părțile sale, deși această concluzie poate părea neașteptată.” Acest model presupune prezența în Univers a unei surse interne, a unui rezervor de energie care menține densitatea materiei sale energetice la un „nivel constant care împiedică comprimarea Universului”. De exemplu, F. Hoyle a susținut că dacă un atom ar apărea într-o găleată de spațiu la fiecare 10 milioane de ani, atunci densitatea energiei, materiei și radiațiilor din Univers în ansamblu ar fi constantă. Acest model nu explică cum au apărut atomii elementelor chimice, materie etc.

d. Descoperirea radiațiilor relicte, radiația de fond, a subminat foarte mult bazele teoretice ale acestui model.

Model« ReceUniversth». Modelul a fost propus în anii şaizeci

ani ai secolului trecut de către astrofizicianul sovietic Ya. Zeldovich. Comparaţie

valori teoretice ale densității radiației și ale temperaturii conform modelului

„Big Bang” cu date de radioastronomie ia permis lui Ya. Zeldovich să prezinte o ipoteză conform căreia starea fizică inițială a Universului a fost un gaz rece proton-electron cu un amestec de neutrini: pentru fiecare proton există un electron și unul. neutrini. Descoperirea radiației cosmice de fond cu microunde, confirmând ipoteza unei stări inițiale fierbinți în evoluția Universului, l-a determinat pe Zeldovich să abandoneze propriul său model de „Univers rece”. Cu toate acestea, ideea de a calcula relația dintre numărul diferitelor tipuri de particule și abundența elementelor chimice din Univers s-a dovedit a fi fructuoasă. În special, s-a constatat că densitatea energiei-materie din Univers coincide cu densitatea radiației cosmice de fond cu microunde.

Model"UniversVatom." Acest model afirmă că de fapt nu există unul, ci multe Universuri. Modelul „Universul într-un atom” se bazează pe conceptul unei lumi închise conform lui A. Friedman. O lume închisă este o regiune a Universului în care forțele de atracție dintre componentele sale sunt egale cu energia masei lor totale. În acest caz, dimensiunile exterioare ale unui astfel de Univers pot fi microscopice. Din punctul de vedere al unui observator extern, va fi un obiect microscopic, dar din punctul de vedere al unui observator din interiorul acestui Univers, totul arată diferit: galaxiile sale, stelele, etc. Aceste obiecte se numesc fReadmonov. Academicianul A. A. Markov a emis ipoteza că ar putea exista un număr nelimitat de Friedmon și ar putea fi complet deschiși, adică au o intrare în lumea lor și o ieșire (conexiune) cu alte lumi. Se pare că există multe Universuri sau, așa cum a numit-o membru corespondent al Academiei de Științe a URSS I. S. Shklovsky într-una dintre lucrările sale, - Metavers.

Ideea unei multiplicități de Universuri a fost exprimată de A. Guth, unul dintre autorii modelului inflaționist al Universului. Într-un Univers care se umflă, este posibilă formarea de „anevrisme” (un termen medical care înseamnă proeminența pereților vaselor de sânge) din Universul mamă. Potrivit acestui autor, crearea Universului este destul de posibilă. Pentru a face acest lucru, trebuie să comprimați 10 kg de substanță

la o dimensiune mai mică de o cvadrilionime a unei particule elementare.

ÎNTREBĂRI DE AUTOTESTARE

1. Modelul „Big Bang”.

2. Cercetări astronomice de E. Hubble și rolul lor în dezvoltare

cosmologie modernă.

3. Relict, radiații de fond.

4. Modelul „Universul inflaționist”.

Modelul Universului. Univers staționar. Cuprins Modelul Universului 1 Universul staționar 2 Consecințe 3 Teoria câmpului particulelor elementare 4 Interacțiunile foton-neutrino 5 Deplasarea roșie 6 Concluzie 7 Modele ale Universului În secolul al XX-lea, au concurat două teorii cosmologice - teoria Universului în expansiune (inițial starea din care a apărut Universul a fost atât de fierbinte și densă, încât au putut exista doar particule elementare și radiații; apoi universul s-a extins și s-a răcit, formând stele și galaxii) și teoria unui Univers staționar (Universul a existat întotdeauna, rarefacția observată). a materiei este compensată prin crearea ei continuă). Universul staționar Einstein a folosit ecuații universale din relativitatea generală și a legat curbura spațiu-timpului cu materia Universului. El a introdus în mod arbitrar „repulsie cosmică”, care era foarte mică, dar a împiedicat Universul să se contracte până la un punct. Teoria unui Univers staționar nu neagă expansiunea Universului. Ideile de creare continuă a materiei au apărut în mod repetat. Astfel, în 1948, un grup de oameni de știință de la Universitatea Cambridge (G. Bond, T. Gold și F. Hoyle) au venit cu ipoteza unui Univers staționar. Este foarte posibil ca crearea de materie nouă să ducă la expansiunea Universului și nu invers. Vârsta generală a Universului staționar este un concept lipsit de sens. Pentru ca densitatea din Univers să rămână constantă, noi particule trebuie să se formeze constant. Legea conservării materiei și energiei se aplică numai volumelor finale și, deoarece fiecare 3 atom de hidrogen creat în 1 m este echilibrat de același atom care părăsește acest volum, legea conservării nu este încălcată. Legea conservării poate fi verificată doar într-un spațiu limitat.Un susținător al acestei opinii, astrofizicianul suedez, laureat al Premiului Nobel pentru 1970, H. Alphen, consideră că spațiul interstelar este umplut cu „filamente” lungi și alte structuri formate din plasmă. Forțele care forțează plasma să formeze astfel de figuri o forțează, de asemenea, să formeze galaxii, stele și sisteme stelare. El crede că Universul se extinde sub influența energiei care este eliberată în timpul anihilării particulelor și antiparticulelor, dar această expansiune are loc ceva mai lent. Consecințe Consecințele cercetării: 1) quasarii au o putere de radiație mică și nu cu câteva ordine de mărime mai mare decât puterea de radiație a galaxiilor întregi, așa cum se crede în mod obișnuit în cosmologia modernă; 2) în quasari, materia se împrăștie cu viteze până la lumină, iar valorile superluminale sunt obținute ca urmare a supraestimării dimensiunii Universului. El vede motivul îmbătrânirii (înroșirii) cuantelor în deplasarea gravitațională a frecvenței radiațiilor, care este proporțională nu cu distanța până la sursa de lumină, ci cu pătratul distanței. În acest caz, dimensiunea părții vizibile a Universului nu este de 15 miliarde de ani lumină, ci de 5. Declarațiile despre „dovada finală” a originii fierbinți a Universului și natura de mare viteză a deplasării cosmologice spre roșu sunt controversate. E. Hubble, care a descoperit legea deplasărilor cosmologice spre roșu în 1929, a publicat în 1936 prima dovadă observațională a erorii ideilor despre recesiunea galaxiilor. În special, s-a stabilit că dependențele empirice obținute din prelucrarea statistică a aproximativ o sută de cataloage de obiecte extragalactice sunt în concordanță cu relațiile teoretice originale derivate pe baza ideilor despre stabilitatea Universului și „îmbătrânirea” fotonilor. În general, ele se află în contradicții ireconciliabile cu modelele cosmologice ale teoriei Big Bang pentru orice combinație de parametri ai acestor modele. „...Un studiu amănunțit al posibilelor surse de erori arată că observațiile par a fi în concordanță cu ideile despre natura non-viteză a deplasărilor spre roșu. ... În teorie, expansiunea relativistă a Universului continuă, deși observațiile nu ne permit să stabilim natura expansiunii. Deci, explorarea spațiului s-a încheiat pe o notă de incertitudine, dar așa ar trebui să fie. Suntem, prin definiție, în chiar centrul regiunii observate. Ne cunoaștem cei mai apropiați vecini. , poate, destul de bine. Pe măsură ce distanța crește, cunoștințele noastre scad și scad rapid. În cele din urmă, capacitățile noastre sunt limitate de limitele telescoapelor noastre. Și apoi observăm umbre și căutăm repere printre erorile de măsurare care cu greu sunt mai reale. 2 Cercetările vor continua. Până nu se vor epuiza posibilitățile abordării empirice, nu ar trebui să ne plonjăm în lumea iluzorie a construcțiilor speculative.” (Hubble „The World of Nebulae”, 1936) Teoria câmpului particulelor elementare În prezent, teoria câmpului particulelor elementare a stabilit un mecanism pentru pierderea unei părți a energiei de către fotoni pe măsură ce trec prin Univers, o alternativă la Doppler efectul și ipoteza Big Bang. - Acestea sunt interacțiuni foton-neutrino ignorate de modelul standard. În consecință, deplasarea la roșu nu poate fi considerată o dovadă a Big Bang-ului, iar deplasarea la roșu nu poate fi folosită pentru a judeca viteza de mișcare a obiectelor îndepărtate. Astfel, ideea unui Univers staționar a primit un sprijin neașteptat și, prin urmare, acum nu poate fi ignorată. Interacțiuni foton-neutrin Conform teoriei câmpului particulelor elementare, neutrinul electronic (ca orice altă particulă elementară) are un câmp electric și magnetic constant și un câmp electromagnetic alternativ. Conform electrodinamicii clasice, aceste câmpuri electromagnetice vor interacționa cu alte câmpuri electromagnetice, inclusiv cu câmpul electromagnetic al unui foton. Astfel, trecerea unui foton printr-un neutrin electronic (ejectat în cantități gigantice de stele) sau compusul său molecular (νe2) nu va trece neobservată de acesta din urmă – chiar dacă este o modificare sau o scădere foarte slabă a energiei fotonului. , dar se va întâmpla. Și cu cât un foton întâlnește mai mult neutrinii electronici sau compușii lor moleculari pe calea sa, cu atât va pierde mai multă energie și, în consecință, cu atât va fi mai puternică schimbarea la roșu. Este un lucru când un foton zboară în paralel cu un neutrin electronic (care se mișcă cu viteza luminii) pe același curs, când ambii au fost emisi de soare, și cu totul altceva când un foton se ciocnește cu un neutrin electron în repaus, cu o stare legată de doi neutrini electronici (νe2), sau cu un neutrin electronic eliberat de o altă stea (mișcându-se într-o direcție diferită). Energia pierdută de un foton din interacțiunea cu un neutrin electronic depinde de orientarea spinului neutrinului de electron, de traiectoria de-a lungul căreia fotonul trece prin neutrinul de electron, precum și de energia fotonului însuși. Acest lucru nu este ușor de calculat, dar poate fi măsurat folosind nave spațiale și lasere. 3 Trebuie remarcat faptul că această interacțiune nu corespunde modelului standard, deoarece acesta din urmă înzestrează particulele elementare care participă la ea cu diferite tipuri de interacțiuni fundamentale:  Neutrino - interacțiune slabă ipotetică,  Foton - interacțiune electromagnetică. Prin urmare, se face concluzia despre recesiunea galaxiilor pe o interpretare unilaterală a deplasării spre roșu în favoarea efectului Doppler. - Spre deosebire de aceasta, teoria câmpului particulelor elementare a stabilit prezența câmpurilor electromagnetice în toate particulele elementare, inclusiv o astfel de particulă elementară evazivă precum neutrinul electronic. În consecință, fotonul și neutrinul electron, având interacțiuni electronice comune, conform electrodinamicii clasice, ar trebui să interacționeze între ele, iar ipoteza „îmbătrânirii luminii” are un aliat - teoria câmpului particulelor elementare. Și dacă renunțăm la modelul standard, care s-a dovedit deja a fi greșit, atunci aceasta reduce automat „Teoria Big Bang” la nivelul unei simple ipoteze care contrazice legile naturii. Red shift De-a lungul secolelor, diferite modele cosmologice s-au înlocuit unele pe altele, dar a fost considerat absolut de neclintit faptul că Universul este infinit în timp și spațiu. Cerul înstelat deasupra capului era un simbol al eternității și al imuabilității. Dar în 1929, pe baza observațiilor spectrelor galaxiilor, Edwin Hubble și-a formulat legea, din care rezultă că Universul se extinde. Sună așa: viteza cu care se îndepărtează galaxiile crește proporțional cu distanța până la ele: v = Hr unde v este viteza cu care galaxia se îndepărtează de noi, r este distanța până la ea și H este constanta Hubble. H= 70 km/(s Mpc). Legea lui Hubble nu înseamnă deloc că Galaxia noastră este centrul din care are loc expansiunea. Un observator oriunde în Univers va vedea aceeași imagine: toate galaxiile fug unele de altele. De aceea ei spun că spațiul în sine se extinde. Expansiunea Universului este cel mai mare fenomen natural cunoscut de omenire. Cu cât o galaxie se îndepărtează mai repede de noi, cu atât liniile din spectrul ei vor fi deplasate spre roșu, conform efectului Doppler. 4 Efectul este numit după Christian Andreas Doppler, care a propus prima explicație fizică cunoscută a fenomenului în 1842. Ipoteza a fost testată și confirmată pentru undele sonore de către omul de știință olandez Christoph Hendrik Diederik Buys, în 1845. Doppler a prezis corect că fenomenul ar trebui să se aplice tuturor undelor și, în special, a sugerat că diferitele culori ale stelelor ar putea fi atribuite mișcării lor față de Pământ. Acest fenomen se numește „deplasare la roșu” - o scădere a frecvențelor de radiație observată pentru toate sursele îndepărtate (galaxii, quasari), indicând o distanță dinamică a acestor surse unele de altele și, în special, de Galaxia noastră, adică. despre non-stationaritatea (expansiunea) Metagalaxiei. De asemenea, se observă o schimbare spre roșu în emisiile oricăror alte frecvențe, de exemplu în domeniul radio. Efectul opus, asociat cu frecvențe mai înalte, se numește deplasare violetă. Cel mai adesea, termenul „deplasare spre roșu” este folosit pentru a se referi la două fenomene - cosmologic și gravitațional. Deplasarea cosmologică spre roșu este deplasarea observată a liniilor spectrale către lungimi de undă mai mari de la o sursă cosmică îndepărtată (cum ar fi o galaxie sau un quasar) într-un Univers în expansiune, în comparație cu lungimea de undă a acelorași linii măsurată de la o sursă staționară. Redshift-ul este, de asemenea, o măsură a timpului care se scurge din momentul în care universul începe să se extindă până în momentul în care lumina este emisă în galaxie. Astfel, conform datelor astronomice moderne, primele galaxii s-au format într-un moment corespunzător deplasării spre roșu 5, adică după aproximativ 1/15 din vârsta actuală a Universului. Aceasta înseamnă că lumina din aceste galaxii a durat aproximativ 8,5 miliarde de ani pentru a ajunge la noi. Până la începutul acestui secol, oamenii de știință credeau că principalele obiecte din Univers erau nemișcate unele în raport cu altele. Apoi, în 1913, astronomul american West Melvin Slipher a început să studieze spectrele luminii provenite de la o duzină de nebuloase cunoscute și a ajuns la concluzia că acestea se îndepărtează de pământ cu viteze care atingeau milioane de mile pe oră. Cum a ajuns Slifer la o concluzie atât de uimitoare? În mod tradițional, astronomii au folosit analiza spectrografică pentru a determina elementele chimice prezente în stele. Se știa că spectrul luminii este asociat cu anumite elemente, prezentând modele de linii caracteristice care serveau ca un fel de carte de vizită a elementului. Slipher a observat că în spectrele galaxiilor pe care le-a studiat, liniile anumitor elemente erau deplasate spre capătul roșu al spectrului. Acest fenomen curios a fost numit „red shift”. 5 Prin urmare, se crede că deplasarea către roșu pentru galaxii a fost descoperită pentru prima dată de W. Slipher, iar în 1929 E. Hubble a descoperit că deplasarea către roșu pentru galaxiile îndepărtate este mai mare decât pentru cele din apropiere și crește aproximativ proporțional cu distanța ( legea lui Hubble). Au fost propuse diverse explicații pentru deplasările observate în liniile spectrale. Așa este, de exemplu, ipoteza despre decăderea cuantelor de lumină pe o perioadă de milioane și miliarde de ani, timp în care lumina surselor îndepărtate ajunge la un observator pământesc; Conform acestei ipoteze, în timpul dezintegrarii energia scade, ceea ce este asociat cu o modificare a frecvenței radiației. Cu toate acestea, această ipoteză nu este susținută de observații. În special, deplasarea la roșu în diferite părți ale spectrului aceleiași surse, în cadrul ipotezei, ar trebui să fie diferită. Între timp, toate datele observaționale indică faptul că deplasarea la roșu nu depinde de frecvență. Modificarea relativă a frecvenței Z = (fo - f")/fo este absolut aceeași pentru toate frecvențele de radiație nu numai în domeniul optic, ci și în domeniul radio al unei surse date (fo este frecvența unei anumite linii a spectrul sursei, f" este frecvența aceleiași linii înregistrată de receptor). În teoria relativității, deplasarea către roșu Doppler este considerată ca rezultat al încetinirii fluxului de timp într-un cadru de referință în mișcare (efectul teoriei relativității speciale). Fotografiarea spectrelor surselor slabe (distante) pentru a măsura deplasarea spre roșu, chiar și folosind cele mai mari instrumente și plăci fotografice sensibile, necesită condiții de observare favorabile și expuneri lungi. Pentru galaxii se măsoară cu încredere deplasările Z = 0,2, corespunzătoare unei viteze V = 60.000 km/sec și unei distanțe de peste 1 miliard pc. La astfel de viteze și distanțe, legea lui Hubble este aplicabilă în cea mai simplă formă (eroarea este de aproximativ 10%, adică aceeași cu eroarea în determinarea lui H). Quazarii sunt în medie de o sută de ori mai strălucitori decât galaxiile și, prin urmare, pot fi observați la distanțe de zece ori mai mari (dacă spațiul este euclidian). Pentru quasari, Z = 2 și mai mult sunt de fapt înregistrate. La deplasări Z = 2, viteza V = 240000 km/sec. Se crede că la astfel de viteze au loc deja efecte cosmologice specifice - nu staționaritatea și curbura spațiu-timpului; în special, conceptul de o singură distanță neechivocă devine inaplicabil (una dintre distanțe, distanța de deplasare spre roșu, este evident R = V/H = 4,5 miliarde ps). Astfel, se crede că deplasarea la roșu indică expansiunea întregii părți observabile a Universului; acest fenomen este de obicei numit expansiune a Universului (astronomic). Deplasarea gravitațională spre roșu este considerată a fi o consecință a încetinirii vitezei de timp din cauza câmpului gravitațional (efectul relativității generale). Acest fenomen (numit și efectul Einstein, efectul Doppler generalizat) a fost prezis de A. Einstein în 1911 și a fost observat din 1919, mai întâi în radiația Soarelui și apoi a altor stele. Deplasarea gravitațională spre roșu este de obicei caracterizată 6 de viteza convențională V, calculată formal folosind aceleași formule ca și în cazurile deplasării către roșu cosmologice. Valori condiționale ale vitezei: pentru Soare V = 0,6 km/sec, pentru steaua densă Sirius V = 20 km/sec. În 1959, pentru prima dată a fost posibilă măsurarea deplasării la roșu din cauza câmpului gravitațional al Pământului, care este foarte mic: V = 7,5 × 10^-5 cm/sec (experimentul Pound-Rebka). În unele cazuri (de exemplu, în timpul colapsului gravitațional), ambele tipuri de deplasare spre roșu trebuie observate (ca efect net). Prezența deplasării spre roșu (z) în galaxii ne permite să determinăm distanțele până la acestea cu mare precizie folosind formula: R=zc/H. Unii quasari au o deplasare mare spre roșu. Astfel de obiecte se îndepărtează cu o viteză apropiată de viteza luminii. Deplasările spre roșu au fost măsurate pentru sute de mii de galaxii. Cele mai îndepărtate dintre ele se află la o distanță de 12 miliarde de ani lumină. Concluzia despre expansiunea Universului a rezultat din teoria generală a relativității a lui Einstein, dar chiar și Einstein însuși a perceput inițial acest lucru cu scepticism, deoarece era ideea evoluției progresive și a existat un început în ea, sau așa cum se spune astăzi. , momentul nașterii, care, desigur, a contrazis complet conceptele existente ale unui Univers infinit în timp și spațiu. Cu toate acestea, această idee a fost confirmată prin observație și este acum general acceptată în lumea științifică. În 1946, Georgy Gamow și colegii săi au dezvoltat o ipoteză fizică pentru stadiul inițial de expansiune a Universului (teoria Universului fierbinte), care explică corect prezența elementelor chimice în el, în anumite proporții, prin sinteza lor la foarte puțin timp. temperaturi și presiuni ridicate. Prin urmare, conform teoriei lui Gamow, începutul expansiunii Universului a fost numit „Big Bang”. În esență, această teorie presupune că la început toată materia din Univers a fost concentrată într-un volum nesemnificativ de mic de temperatură și presiune infinit de ridicate. Apoi, conform scenariului, a explodat cu o forță monstruoasă. Această explozie a creat gaz ionizat supraîncălzit sau plasmă. Această plasmă sa extins uniform până s-a răcit până la punctul în care a devenit un gaz obișnuit. În acest nor de gaz în expansiune, care se răcește, s-au format galaxii și s-au născut generații de stele în interiorul galaxiilor. Apoi planetele, cum ar fi Pământul nostru, s-au format în jurul stelelor. Dar puțini oameni sunt conștienți de faptul că chiar și de la cele mai puternice telescoape este imposibil să vedem efectiv mișcarea galaxiilor de la noi. Imaginile pe care le vedem sunt nemișcate, iar oamenii de știință nu pretind că își arată mișcarea vizibilă, chiar dacă observațiile continuă de secole. 7 Așadar, pentru a afla dacă Universul se extinde sau nu, este necesar să luăm în considerare lumina și alte tipuri de radiații care ajung la noi, traversând regiuni ale spațiului interstelar. Imaginile formate din aceste emisii nu arată în mod direct expansiunea Universului, dar trăsăturile subtile ale radiației au convins oamenii de știință că această expansiune are loc. Oamenii de știință fac prima presupunere că legile fizicii pământului se aplică fără modificări peste tot în Univers. Apoi încearcă să înțeleagă cum procesele care respectă aceste legi produc lumina pe care o observă. Pentru a înțelege modul în care oamenii de știință folosesc acest mod pentru a analiza lumina pentru a concluziona că Universul se extinde, să ne uităm la istoria astronomiei și astrofizicii. Astronomii, observând cerurile, au observat de mult timp că, pe lângă stelele și planetele individuale, pe cer erau multe corpuri slab luminoase. Le-au numit „nebuloase”. Este un cuvânt latin care înseamnă „nor” sau „nebuloasă”. Și mai târziu, odată cu dezvoltarea conceptului lor, aceste obiecte au fost numite galaxii. Mai mare ca dimensiune decât luna plină și atât de slabă încât este abia vizibilă cu ochiul liber, apare galaxia vecină Andromeda. La începutul acestui secol, astronomii au transformat noi telescoape puternice către aceasta și alte galaxii și au descoperit că acestea erau insule vaste de miliarde de stele. Grupuri întregi de galaxii au fost descoperite la distanțe mari. Înainte de descoperirea stelelor în Andromeda, se credea că toate corpurile cerești se aflau în limitele galaxiei noastre. Dar datorită dezvoltării conceptului și descoperirii altor galaxii, mai îndepărtate, totul s-a schimbat. Mărimea universului s-a extins dincolo de înțelegere. După ce a descoperit fenomenul „deplasării spre roșu”, V. Slifer a început să-l explice prin efectul Doppler, din care putem concluziona că galaxiile se îndepărtează de noi. Acesta a fost primul pas mare către ideea că întregul Univers se extinde. Efectul Doppler este adesea explicat folosind exemplul unui fluier de tren, care își schimbă pasul pe măsură ce trenul trece pe lângă noi. Acest fenomen a fost studiat pentru prima dată științific în 1842 de către fizicianul austriac Christian Johann Doppler. El a presupus că intervalele dintre undele sonore emise de un obiect care se deplasează spre observator, comprimate, ridică înălțimea sunetului. La fel, intervalele dintre undele sonore care ajung la un observator de la o sursă care se îndepărtează de acesta sunt prelungite și, astfel, înălțimea sunetului este coborâtă. S-a raportat că Doppler a testat această idee punând trompete pe o platformă de cale ferată condusă de o locomotivă. Muzicienii, cu o înălțime perfectă, au ascultat cu atenție când trompeștii au trecut pe lângă ei și au confirmat analiza lui Doppler. 8 Doppler a prezis un efect similar pentru undele luminoase. Pentru lumină, o creștere a lungimii de undă corespunde unei deplasări către capătul roșu al spectrului. Prin urmare, liniile spectrale ale unui obiect care se îndepărtează de observator ar trebui să se deplaseze spre capătul roșu al spectrului. Slifer a ales efectul Doppler pentru a interpreta observațiile sale despre galaxii. A observat schimbarea roșie și a decis că galaxiile trebuie să se îndepărteze de noi. Un alt pas care a condus la credința că universul se extinde a venit în 1917, când Einstein și-a publicat teoria relativității. Înainte de Einstein, oamenii de știință au presupus întotdeauna că spațiul se extinde la infinit în toate direcțiile și că geometria spațiului era euclidiană și tridimensională. Dar Einstein a sugerat că spațiul ar putea avea o geometrie diferită - un spațiu-timp închis curbat în patru dimensiuni. Conform teoriei lui Einstein, există multe forme pe care spațiul le poate lua. Unul dintre ele este un spațiu închis fără limite, asemănător cu suprafața unei sfere; celălalt este un spațiu curbat negativ care se extinde la infinit în toate direcțiile. Einstein însuși a crezut că universul este static și și-a adaptat ecuația pentru a se adapta la aceasta. Dar, aproape în același timp, astronomul danez William de Sitter a găsit o soluție la ecuația lui Einstein, care a prezis expansiunea rapidă a Universului. Această geometrie a spațiului trebuie să se schimbe în timp. Lucrarea lui De Sitter a trezit interes în rândul astronomilor din întreaga lume. Printre ei se numără și Edwin Hubble. A fost prezent la conferința Societății Americane de Astronomie din 1914, când Slifer a raportat descoperirile sale fundamentale privind mișcarea galaxiilor. În 1928, la celebrul Observator Mount Wilson, Hubble a început să lucreze în încercarea de a combina teoria lui de Sitter despre un univers în expansiune cu observațiile lui Cypher despre galaxiile în retragere. Hubble a raționat așa ceva: într-un univers în expansiune, ar trebui să vă așteptați ca galaxiile să se îndepărteze unele de altele. Și, galaxiile mai îndepărtate se vor îndepărta mai repede unele de altele. Acest lucru ar însemna că din orice punct, inclusiv Pământul, un observator ar trebui să vadă toate celelalte galaxii îndepărtându-se de el și, în medie, galaxiile mai îndepărtate ar trebui să se miște mai repede. Hubble a crezut că dacă acest lucru ar fi adevărat și ar fi observat efectiv, s-ar părea că există o relație proporțională între distanța până la o galaxie și gradul de deplasare către roșu în spectrul acesteia. El a observat că spectrele majorității galaxiilor sunt deplasate spre roșu, iar galaxiile aflate la distanțe mai mari de noi au o deplasare mai mare spre roșu. Hubble nu știa cât de departe se află o anumită galaxie de noi, așa că a propus să folosească această idee: „Putem începe să estimăm distanțele până la cele mai apropiate stele folosind diferite metode. Apoi, pas cu pas, putem construi o „scara de distanță cosmică” care ne va oferi o estimare a distanțelor până la unele galaxii. Dacă putem estima luminozitatea intrinsecă a galaxiilor, atunci putem găsi raportul dintre distanța la o galaxie necunoscută și distanța la una cunoscută prin măsurarea luminozității aparente a galaxiei. Această dependență se supune legii rădăcinii inverse. Nu vom intra aici în detaliile procedurii complexe folosite pentru a justifica scara de distanță. Să observăm doar că această procedură include multe interpretări teoretice, în care există multe locuri îndoielnice și care au fost supuse revizuirii, adesea în locuri neașteptate. Aceasta va apărea pe măsură ce povestea progresează.” Hubble, folosind metoda sa de aproximare a distanțelor, a fundamentat relația proporțională, cunoscută acum sub numele de legea lui Hubble, dintre magnitudinea deplasării spre roșu și distanța până la galaxie. El credea că a arătat clar că cele mai îndepărtate galaxii au cele mai mari deplasări spre roșu și, prin urmare, se îndepărtează de noi cel mai repede. El a acceptat acest lucru ca o dovadă suficientă că Universul se extinde. De-a lungul timpului, această idee a devenit atât de ferm stabilită încât astronomii au început să o aplice în sens invers: dacă distanța este proporțională cu deplasarea spre roșu, atunci distanța până la galaxii poate fi calculată pur și simplu din deplasarea spre roșu măsurată. Dar, după cum am observat, distanțele Hubble nu sunt determinate de măsurători directe ale distanței până la galaxii. Dimpotrivă, ele sunt obținute indirect, din măsurători ale luminozității aparente a galaxiilor. Astfel, modelul universului în expansiune are două defecte potențiale: în primul rând, luminozitatea obiectelor cerești poate depinde de alți factori decât distanța și astfel distanțele calculate din luminozitatea aparentă a galaxiilor pot fi invalide; în al doilea rând, este posibil ca deplasarea spre roșu să nu aibă legătură cu viteza. De fapt, un număr de astronomi susțin că unele deplasări către roșu nu sunt cauzate de efectul Doppler. Și există încă o întrebare despre corectitudinea conceptului de Univers în expansiune. Un astronom care a pus sub semnul întrebării interpretarea că toate deplasările spre roșu sunt cauzate de efectul Doppler este Halton Arp. La Palomar a observat multe exemple de deplasări inconsistente spre roșu care nu respectau legea lui Hubble. Analizându-le, el a sugerat că deplasările spre roșu în cazul general ar putea fi cauzate de alte mecanisme decât efectul Doppler. Acest lucru ridică întrebarea de ce oamenii de știință interpretează deplasările spre roșu doar ca efect Doppler. Poate fi adevărat că efectul 10 Doppler provoacă deplasarea spre roșu, dar cum putem ști cu siguranță că deplasarea către roșu este cauzată de efectul Doppler? Unul dintre principalele motive pentru această concluzie este că, conform fizicii moderne, deplasarea spre roșu poate fi cauzată doar de un câmp gravitațional puternic, excluzând efectul Doppler. Dacă lumina se mișcă împotriva câmpului gravitațional, își pierde o parte din energie și experimentează o schimbare spre roșu. Cu toate acestea, astronomii nu consideră că această explicație este acceptabilă pentru stele și galaxii, deoarece câmpul gravitațional trebuie să fie incredibil de puternic pentru a provoca deplasarea spre roșu observată. Arp raportează că a găsit un obiect cu deplasare mare spre roșu în imediata apropiere a unui alt obiect cu deplasare spre roșu scăzută. Conform teoriei standard a unui univers în expansiune, un obiect cu o deplasare spre roșu scăzută ar trebui să fie relativ mai aproape de noi, iar un obiect cu o deplasare către roșu mare ar trebui să fie mai departe. Astfel, două obiecte care sunt aproape unul de celălalt ar trebui să aibă aproximativ aceleași deplasări spre roșu. Cu toate acestea, Arp dă următorul exemplu: Galaxia spirală NGC 7603 este conectată la o galaxie învecinată printr-un pod luminos și totuși galaxia învecinată are o deplasare spre roșu cu 8000 de kilometri pe secundă mai mare decât galaxia spirală. Judecând după diferența dintre deplasările lor spre roșu, galaxiile ar trebui să fie la distanțe semnificative una de cealaltă, cu siguranță galaxia vecină ar trebui să fie la 478 de milioane de ani lumină mai departe - acest lucru este deja ciudat, deoarece cele două galaxii sunt suficient de apropiate pentru contactul fizic. Comparându-le, galaxia noastră rămâne în urmă cu cel mai apropiat vecin, Galaxia Andromeda, cu doar 2 milioane de ani lumină. Există, desigur, susținători ai viziunii standard care nu sunt puternic de acord cu interpretarea lui Arp. Ei cred că obiectele sunt de fapt situate departe unele de altele, iar proximitatea lor aparentă este doar aparentă. Așa-numitul pod luminos există, dar o galaxie mai îndepărtată s-a întâmplat să fie doar în spatele podului de-a lungul liniei noastre de vedere. Arp remarcă însă o superficialitate semnificativă în raționamentul oponenților ideii sale: „Galaxia pe care o arată este în orice caz neobișnuită. Podul strălucitor către stea este pur și simplu unul dintre brațele sale spiralate normale.” Cu toate acestea, în exemplul lui Arp, podul este o structură neobișnuită, nu o normă în astfel de galaxii. Probabilitatea ca două galaxii de acest tip să fie situate într-o astfel de configurație este mult mai mică decât probabilitatea ca o stea din Calea Lactee să se alinieze cu o galaxie obișnuită. Arp a găsit multe alte exemple care contrazic înțelegerea tradițională a deplasării spre roșu. Iată una dintre cele mai controversate descoperiri. Quasar Makarian 205, lângă galaxia spirală NGC 4319, este conectat vizual cu galaxie printr-un pod luminos. Galaxia are o deplasare spre roșu de 11.800 de kilometri pe secundă, ceea ce corespunde unei distanțe de aproximativ 107 milioane de ani lumină. Quasarul are o deplasare spre roșu de 21.000 de kilometri pe secundă, ceea ce ar însemna că se află la 1,24 miliarde de ani lumină distanță. Dar Arp a sugerat că aceste obiecte sunt cu siguranță conectate și asta arată că interpretarea standard a deplasării spre roșu este greșită în acest caz. (Se poate observa, apropo, faptul că astronomii exprimă deplasarea spre roșu în kilometri pe secundă. Acest lucru arată angajamentul lor față de ideea că deplasarea către roșu este explicată prin efectul Doppler.) Criticii au spus că nu au găsit puntea de legătură prezentată în Pictura lui Arp din fotografia galaxiei NGC 4319. Alții au raportat că podul este un „efect fotografic fals”. Dar mai târziu Jack M. Sulentic de la Universitatea din Alabama a făcut studii fotometrice ample ale celor două obiecte și a concluzionat că podul de legătură era real. Un alt exemplu de deplasare spre roșu controversată observată de Arp este descoperirea unui lanț de galaxii extrem de neobișnuit numit Vorontsov-Velyamov 172, după descoperitorul rus. În acest lanț de galaxii, membrul mai mic și mai compact are o deplasare către roșu de două ori față de celelalte. Pe lângă câteva galaxii cu deplasări inconsistente spre roșu, Arp a observat ceva și mai ciudat - se dovedește că quasarii și galaxiile pot erupe alți quasari și galaxii. Iată câteva exemple: Galaxia care explodează NGC 520 are o deplasare spre roșu aparent scăzută. Patru quasari slabi sunt localizați în linie dreaptă, mișcându-se la sud-est de galaxie. Arp a dovedit că acești quasari slabi sunt singurii din această regiune. Ar putea fi o simplă coincidență că s-au aliniat aproape într-o linie din galaxie? Arp a susținut că o astfel de șansă era extrem de mică și a sugerat că quasarii au erupt dintr-o galaxie care exploda. Destul de interesant, quasarii au o deplasare spre roșu mult mai mare decât galaxia care pare a fi părintele lor. Interesant este că, conform teoriei standard de deplasare spre roșu, quasarii ar trebui să fie mult mai departe decât galaxia. Arp interpretează acest lucru și alte exemple similare pentru a sugera că quasarii nou erupți se nasc la deplasări mari spre roșu și treptat, deplasările lor spre roșu scad în timp. Unii oameni de știință se întreabă dacă este realist ca o galaxie să erupă alte obiecte masive, cum ar fi galaxiile sau quasarii. Ca răspuns, Arp arată o fotografie uimitoare a galaxiei gigantice M87 care împrăștie un flux de materie. Când ne uităm la galaxiile eliptice din regiunea din jurul galaxiei M87 (de asemenea, de tip eliptic), vedem că toate cad în direcția fluxului de materie care erupe. Astronomii sugerează, la fel ca și Arp, că aceste galaxii au erupt din M87. 12 Cum poate o galaxie să emită o altă galaxie? Dacă o galaxie este un „univers insular” format dintr-un mare agregat de stele și gaze, cum poate ea să emită o altă galaxie care este același agregat de stele și gaz? Este probabil ca radioastronomia să ofere un indiciu. Recent, radioastronomii au susținut că zone vaste de emisii radio pot fi erupte din galaxii. Aceste regiuni de emisie există în perechi de fiecare parte a unor galaxii. Pentru a explica acest lucru, astronomii postulează existența unor găuri negre gigantice care se rotesc în centrul galaxiei, care devorează stelele din apropiere și scuipă materie în ambele direcții de-a lungul axei de rotație. Cu toate acestea, dacă analiza lui Arp este corectă, ea explică nu numai regiunile de emisie care pot fi compuse din gaz subțire, ci și faptul că interiorul unei galaxii sau galaxiile precursoare pot fi ejectate. Revenind la deplasările spre roșu ale unor astfel de galaxii și quasari ejectate, Arp a descoperit următoarele: obiectele erupte au o deplasare spre roșu mult mai mare decât părintele lor, deși se află în imediata apropiere a acestuia. Arp explică acest lucru doar prin faptul că deplasările lor spre roșu nu sunt cauzate de efectul Doppler. Deci, ceea ce măsoară astronomii nu este viteza cu care un obiect se îndepărtează. Cel mai probabil, deplasarea spre roșu este legată de starea fizică reală a obiectului. Cu toate acestea, legile reale ale fizicii nu răspund la întrebarea ce fel de stare ar putea fi aceasta. Ei încă mai cred că galaxia este formată din stele individuale plus nori de gaz și praf. Ce calități poate avea pentru a avea ca rezultat o deplasare către roșu care nu este cauzată de efectul Doppler sau de gravitație? Acest lucru nu poate fi explicat în termeni de legi fizice cunoscute. Desigur, descoperirile lui Arp sunt foarte controversate, iar mulți astronomi se îndoiesc că o astfel de legătură între galaxii și quasari poate fi cu adevărat reală. Dar aceasta este doar o linie de dovezi care sugerează că interpretarea standard a deplasărilor către roșu ale galaxiilor se poate schimba. Concluzie Ipoteza Big Bang rămâne încă o presupunere nedovedită (sau, pur și simplu, este un basm), iar ideea unui Univers staționar necesită cercetări suplimentare. Ce teorie va apărea în continuare - timpul va spune. Universul nu este atât de gol pe cât pare. În ea există procese de transformare și transfer de energie (inclusiv de către aceiași neutrini - purtători invizibili de energie) și fizica 13 trebuie să înțeleagă, să descrie și să explice toate acestea și să nu inventeze tot felul de basme matematice plauzibile. Acum, fizica nu poate spune fără ambiguitate care este vârsta reală a Universului și dacă poate fi măsurată cumva. Dar acum este absolut clar că în urmă cu 13,7 miliarde de ani exista un univers, erau galaxii cu stele în el, stelele aveau planete, unele dintre planete aveau viață, altele aveau viață inteligentă, iar apoi ființele gânditoare s-au întrebat și ele care este adevărata. vârsta a fost. 14

Ipoteza unui model cu mai multe frunze al Universului

Prefață a autorului site-ului:În atenția cititorilor site-ului „Cunoașterea este putere” oferim fragmente din capitolul 29 din cartea lui Andrei Dmitrievich Saharov „Memorii”. Academicianul Saharov vorbește despre munca în domeniul cosmologiei, pe care a desfășurat-o după ce a început să se implice activ în activități legate de drepturile omului - în special, în exilul lui Gorki. Acest material prezintă un interes incontestabil pe tema „Universul”, discutată în acest capitol al site-ului nostru. Ne vom familiariza cu ipoteza unui model cu mai multe frunze al Universului și cu alte probleme de cosmologie și fizică. ...Și, bineînțeles, să ne amintim trecutul nostru tragic recent.

Academician Andrei Dmitrievich SAKHAROV (1921-1989).

La Moscova în anii 70 și la Gorki, mi-am continuat încercările de a studia fizica și cosmologia. În acești ani nu am reușit să propun idei semnificativ noi și am continuat să dezvolt acele direcții care erau deja prezentate în lucrările mele din anii 60 (și descrise în prima parte a acestei cărți). Aceasta este probabil cea mai mare parte a oamenilor de știință când ating o anumită limită de vârstă pentru ei. Cu toate acestea, nu îmi pierd speranța că poate altceva va „străluci” pentru mine. În același timp, trebuie să spun că simpla observare a procesului științific, la care tu însuți nu participi, dar știi ce este, aduce o bucurie interioară profundă. În acest sens, „nu sunt lacom”.

În 1974, am făcut-o și în 1975 am publicat o lucrare în care am dezvoltat ideea unui Lagrangian zero al câmpului gravitațional, precum și metodele de calcul pe care le utilizasem în lucrările anterioare. În același timp, s-a dovedit că am ajuns la metoda propusă cu mulți ani în urmă de Vladimir Aleksandrovich Fok, apoi de Julian Schwinger. Cu toate acestea, concluzia mea și chiar calea construcției, metodele au fost complet diferite. Din păcate, nu mi-am putut trimite munca la Fok - a murit chiar atunci.

Ulterior, am descoperit câteva erori în articolul meu. A lăsat neclarificată întrebarea dacă „gravitația indusă” (termenul modern folosit în locul termenului „zero Lagrangian”) dă semnul corect al constantei gravitaționale în oricare dintre opțiunile pe care le-am luat în considerare.<...>

Trei lucrări - una publicată înainte de expulzarea mea și două după expulzarea mea - sunt dedicate problemelor cosmologice. În prima lucrare, discut despre mecanismele asimetriei barionice. De un anumit interes, probabil, sunt considerațiile generale despre cinetica reacțiilor care duc la asimetria barionică a Universului. Cu toate acestea, în mod specific în această lucrare, raționez în cadrul vechii mele presupuneri despre existența unei legi de conservare „combinate” (se păstrează suma numerelor de quarci și leptoni). Am scris deja în prima parte a memoriilor mele cum am ajuns la această idee și de ce acum o consider greșită. În general, această parte a lucrării mi se pare nereușită. Îmi place mult mai mult partea slujbei despre care scriu modelul cu mai multe frunze al Universului . Aceasta este o presupunere că expansiunea cosmologică a Universului este înlocuită de compresie, apoi o nouă expansiune în așa fel încât ciclurile de compresie - expansiune să se repete de un număr infinit de ori. Astfel de modele cosmologice au atras de multă vreme atenția. Diferiți autori le-au numit "pulsante" sau "oscilant" modele ale Universului. Îmi place mai mult termenul "model cu mai multe frunze" . Pare mai expresiv, mai în concordanță cu sensul emoțional și filozofic al tabloului grandios al repetării repetate a ciclurilor existenței.

Atâta timp cât conservarea a fost asumată, modelul cu mai multe frunze a întâmpinat, însă, o dificultate insurmontabilă care rezultă dintr-una dintre legile fundamentale ale naturii - a doua lege a termodinamicii.

Retragere. În termodinamică se introduce o anumită caracteristică a stării corpurilor, numită. Tatăl meu și-a amintit odată de o veche carte de știință populară numită „Regina lumii și umbra ei”. (Din păcate, am uitat cine este autorul acestei cărți.) Regina este, desigur, energie, iar umbra este entropia. Spre deosebire de energie, pentru care există o lege de conservare, pentru entropie a doua lege a termodinamicii stabilește legea creșterii (mai precis, non-scăderea). Procesele în care entropia totală a corpurilor nu se modifică sunt numite (considerate) reversibile. Un exemplu de proces reversibil este mișcarea mecanică fără frecare. Procesele reversibile sunt o abstractizare, un caz limitativ al proceselor ireversibile însoțite de o creștere a entropiei totale a corpurilor (în timpul frecării, transferului de căldură etc.). Matematic, entropia este definită ca o mărime a cărei creștere este egală cu influxul de căldură împărțit la temperatura absolută (se presupune în plus - mai precis, rezultă din principii generale - că entropia la temperatura zero absolut și entropia vidului sunt egale la zero).

Exemplu numeric pentru claritate. Un anumit corp având o temperatură de 200 de grade transferă 400 de calorii în timpul schimbului de căldură către un al doilea corp care are o temperatură de 100 de grade. Entropia primului corp a scăzut cu 400/200, adică. cu 2 unități, iar entropia celui de-al doilea corp a crescut cu 4 unități; Entropia totală a crescut cu 2 unități, în conformitate cu cerința celei de-a doua legi. Rețineți că acest rezultat este o consecință a faptului că căldura este transferată de la un corp mai fierbinte la unul mai rece.

O creștere a entropiei totale în timpul proceselor de neechilibru duce în cele din urmă la încălzirea substanței. Să trecem la cosmologie, la modele cu mai multe foi. Dacă presupunem că numărul de barioni este fix, atunci entropia per barion va crește la infinit. Substanța se va încălzi la nesfârșit cu fiecare ciclu, adică. condițiile din Univers nu se vor repeta!

Dificultatea este eliminată dacă renunțăm la ipoteza conservării sarcinii barionului și considerăm, în conformitate cu ideea mea din 1966 și cu dezvoltarea sa ulterioară de către mulți alți autori, că sarcina barionică provine din „entropie” (adică materie fierbinte neutră) în stadiile incipiente ale expansiunii cosmologice ale Universului. În acest caz, numărul de barioni formați este proporțional cu entropia la fiecare ciclu de expansiune-compresie, adică. condiţiile de evoluţie a materiei şi de formare a formelor structurale pot fi aproximativ aceleaşi în fiecare ciclu.

Prima dată am inventat termenul „model cu mai multe frunze” într-o lucrare din 1969. În articolele mele recente, folosesc același termen într-un sens ușor diferit; Menționez acest lucru aici pentru a evita neînțelegerile.

Primul dintre ultimele trei articole (1979) a examinat un model în care se presupune că spațiul este plat în medie. De asemenea, se presupune că constanta cosmologică a lui Einstein nu este zero și este negativă (deși foarte mică în valoare absolută). În acest caz, după cum arată ecuațiile teoriei gravitaționale a lui Einstein, expansiunea cosmologică cedează inevitabil loc compresiunii. Mai mult, fiecare ciclu îl repetă complet pe cel precedent în ceea ce privește caracteristicile sale medii. Este important ca modelul să fie plat din punct de vedere spațial. Alături de geometria plată (geometria euclidiană), următoarele două lucrări sunt, de asemenea, dedicate luării în considerare a geometriei Lobachevsky și a geometriei unei hipersfere (un analog tridimensional al unei sfere bidimensionale). În aceste cazuri, însă, apare o altă problemă. O creștere a entropiei duce la o creștere a razei Universului în momentele corespunzătoare ale fiecărui ciclu. Extrapolând în trecut, constatăm că fiecare ciclu dat ar fi putut fi precedat doar de un număr finit de cicluri.

În cosmologia „standard” (o singură foaie) există o problemă: ce era înainte de momentul densității maxime? În cosmologiile cu mai multe foi (cu excepția cazului unui model spațial plat), această problemă nu poate fi evitată - întrebarea este transferată în momentul începerii expansiunii primului ciclu. Se poate considera că începutul expansiunii primului ciclu sau, în cazul modelului standard, singurul ciclu este Momentul Creației Lumii și, prin urmare, întrebarea a ceea ce sa întâmplat înainte de aceasta se află dincolo de domeniul de aplicare al cercetării științifice. Cu toate acestea, poate, la fel de – sau, după părerea mea, mai mult – justificată și fructuoasă este o abordare care permite cercetarea științifică nelimitată a lumii materiale și spațiu-timp. În același timp, aparent, nu există loc pentru Actul Creației, dar conceptul religios de bază al sensului divin al Ființei nu este afectat de știință și se află dincolo de granițele sale.

Cunosc două ipoteze alternative legate de problema în discuție. Unul dintre ele, mi se pare, a fost exprimat pentru prima dată de mine în 1966 și a făcut obiectul unor lămuriri în lucrările ulterioare. Aceasta este ipoteza „întoarcerea săgeții timpului”. Este strâns legată de așa-numita problemă de reversibilitate.

După cum am scris deja, procesele complet reversibile nu există în natură. Frecarea, transferul de căldură, emisia de lumină, reacțiile chimice, procesele de viață sunt caracterizate de ireversibilitate, o diferență izbitoare între trecut și viitor. Dacă filmăm vreun proces ireversibil și apoi redăm filmul în direcția opusă, vom vedea pe ecran ceva ce nu se poate întâmpla în realitate (de exemplu, un volant care se rotește prin inerție își mărește viteza de rotație, iar rulmenții se răcesc). Cantitativ, ireversibilitatea este exprimată printr-o creștere monotonă a entropiei. În același timp, atomii, electronii, nucleele atomice etc. care fac parte din toate corpurile. se mișcă în conformitate cu legile mecanicii (cuantică, dar acest lucru nu este important aici), care sunt complet reversibile în timp (în teoria cuantică a câmpului - cu reflexie CP simultană, vezi în prima parte). Asimetria celor două direcții ale timpului (prezența „săgeții timpului”, după cum se spune) cu simetria ecuațiilor de mișcare a atras de multă vreme atenția creatorilor mecanicii statistice. Discuția despre această problemă a început în ultimele decenii ale secolului trecut și a fost uneori destul de aprinsă. Soluția care a satisfăcut mai mult sau mai puțin pe toată lumea a fost ipoteza că asimetria se datorează condițiilor inițiale de mișcare și poziției tuturor atomilor și câmpurilor „în trecutul infinit îndepărtat”. Aceste condiții inițiale trebuie să fie „aleatorie” într-un sens bine definit.

După cum am sugerat (în 1966 și mai explicit în 1980), în teoriile cosmologice care au un punct desemnat în timp, aceste condiții inițiale aleatorii ar trebui atribuite nu trecutului infinit îndepărtat (t -> - ∞), ci acestui punct selectat. (t = 0).

Apoi, automat în acest moment, entropia are o valoare minimă, iar atunci când se deplasează înainte sau înapoi de la ea în timp, entropia crește. Aceasta este ceea ce am numit „întoarcerea săgeții timpului”. De când săgeata timpului se întoarce, toate procesele, inclusiv procesele informaționale (inclusiv procesele de viață), se inversează, nu apar paradoxuri. Ideile de mai sus despre inversarea săgeții timpului, din câte știu, nu au primit recunoaștere în lumea științifică. Dar mi se par interesante.

Rotirea săgeții timpului restabilește simetria celor două direcții ale timpului inerente ecuațiilor de mișcare din tabloul cosmologic al lumii!

În 1966-1967 Am presupus că în punctul de cotitură al săgeții timpului are loc reflexia CPT. Această presupunere a fost unul dintre punctele de plecare ale lucrării mele despre asimetria barionică. Aici voi prezenta o altă ipoteză (Kirzhnitz, Linde, Guth, Turner și alții au avut o mână de lucru; am aici doar observația că există o întoarcere a săgeții timpului).

Teoriile moderne presupun că vidul poate exista în diverse stări: stabil, cu o densitate de energie egală cu zero cu mare precizie; și instabil, având o uriașă densitate de energie pozitivă (constantă cosmologică efectivă). Această din urmă stare este uneori numită „vid fals”.

Una dintre soluțiile ecuațiilor relativității generale pentru astfel de teorii este următoarea. Universul este închis, adică. în fiecare moment reprezintă o „hipersferă” de volum finit (o hipersferă este un analog tridimensional al suprafeței bidimensionale a unei sfere; o hipersferă poate fi imaginată „încorporată” în spațiul euclidian cu patru dimensiuni, la fel ca un sfera dimensională este „încorporată” în spațiul tridimensional). Raza hipersferei are o valoare finită minimă la un moment dat în timp (să o notăm t = 0) și crește odată cu distanța față de acest punct, atât înainte, cât și înapoi în timp. Entropia este nulă pentru un vid fals (ca pentru orice vid în general) și atunci când se îndepărtează de punctul t = 0 înainte sau înapoi în timp, crește datorită decăderii vidului fals, transformându-se într-o stare stabilă de vid adevărat. . Astfel, în punctul t = 0 săgeata timpului se rotește (dar nu există o simetrie CPT cosmologică, care necesită compresie infinită în punctul de reflexie). La fel ca și în cazul simetriei CPT, toate sarcinile conservate aici sunt, de asemenea, egale cu zero (dintr-un motiv trivial - la t = 0 există o stare de vid). Prin urmare, în acest caz este, de asemenea, necesar să se presupună apariția dinamică a asimetriei barionice observate, cauzată de încălcarea invarianței CP.

O ipoteză alternativă despre preistoria Universului este că, de fapt, nu există un Univers sau două (ca - într-un anumit sens al cuvântului - în ipoteza întoarcerii săgeții timpului), ci multe radical diferite între ele. și care rezultă dintr-un spațiu „primar” (sau particulele sale constitutive; acesta poate fi doar un mod diferit de a o spune). Alte Universuri și spațiul primar, dacă este logic să vorbim despre asta, pot avea, în special, în comparație cu Universul „nostru” un număr diferit de dimensiuni spațiale și temporale „macroscopice” - coordonate (în Universul nostru - trei spațiale și o dimensiune temporală; în alte Universuri, totul poate fi diferit!) Vă rog să nu acordați o atenție deosebită adjectivului „macroscopic” cuprins între ghilimele. Este asociată cu ipoteza „compactizării”, conform căreia majoritatea dimensiunilor sunt compactate, adică. închis pe sine la scară foarte mică.

Structura „Mega-Universului”

Se presupune că nu există nicio legătură cauzală între diferite Universuri. Acesta este tocmai ceea ce justifică interpretarea lor ca Universuri separate. Eu numesc această structură grandioasă „Mega Univers”. Mai mulți autori au discutat variații ale unor astfel de ipoteze. În special, ipoteza nașterilor multiple de Universuri închise (aproximativ hipersferice) este susținută într-una dintre lucrările sale de Ya.B. Zeldovich.

Ideile Mega Universe sunt extrem de interesante. Poate că adevărul stă tocmai în această direcție. Pentru mine, în unele dintre aceste construcții există, totuși, o ambiguitate de natură oarecum tehnică. Este destul de acceptabil să presupunem că condițiile din diferite regiuni ale spațiului sunt complet diferite. Dar legile naturii trebuie să fie neapărat aceleași peste tot și întotdeauna. Natura nu poate fi ca regina din Alice în Țara Minunilor a lui Carroll, care a schimbat în mod arbitrar regulile jocului de crochet. Existența nu este un joc. Îndoielile mele se referă la acele ipoteze care permit o întrerupere a continuității spațiu – timp. Sunt astfel de procese acceptabile? Nu sunt ele o încălcare a legilor naturii în punctele de rupere și nu a „condițiilor de a fi”? Repet, nu sunt sigur că acestea sunt preocupări valabile; Poate, din nou, ca și în chestiunea conservării numărului de fermioni, plec de la un punct de vedere prea îngust. În plus, sunt destul de imaginabile ipotezele în care nașterea Universurilor are loc fără întreruperea continuității.

Presupunerea că nașterea spontană a multor, și poate a unui număr infinit de Universuri care diferă în parametrii lor și că Universul care ne înconjoară se distinge între multe lumi tocmai prin condiția apariției vieții și a inteligenței, este numită „principiul antropic”. ” (AP). Zeldovich scrie că prima considerație despre AP cunoscută de el în contextul unui Univers în expansiune îi aparține lui Idlis (1958). În conceptul de Univers cu mai multe frunze, poate juca un rol și principiul antropic, dar pentru alegerea între ciclurile succesive sau regiunile acestora. Această posibilitate este discutată în lucrarea mea „Multiple Models of the Universe”. Una dintre dificultățile modelelor cu mai multe foi este că formarea „găurilor negre” și îmbinarea lor rupe simetria în stadiul de compresie atât de mult încât este complet neclar dacă condițiile următorului ciclu sunt potrivite pentru formarea unor forme foarte organizate. structurilor. Pe de altă parte, în cicluri suficient de lungi, au loc procesele de dezintegrare a barionului și de evaporare a găurii negre, ducând la netezirea tuturor neomogenităților de densitate. Presupun că acțiunea combinată a acestor două mecanisme - formarea găurilor negre și alinierea neomogenităților - duce la o schimbare succesivă a ciclurilor „mai netede” și mai „deranjate”. Ciclul nostru trebuia să fie precedat de un ciclu „neted” în timpul căruia nu s-au format găuri negre. Pentru a fi specific, putem considera un Univers închis cu un vid „fals” la punctul de cotitură al săgeții timpului. Constanta cosmologică din acest model poate fi considerată egală cu zero; schimbarea de la expansiune la compresie are loc pur și simplu datorită atracției reciproce a materiei obișnuite. Durata ciclurilor crește din cauza creșterii entropiei cu fiecare ciclu și depășește orice număr dat (tinde spre infinit), astfel încât sunt îndeplinite condițiile pentru dezintegrarea protonilor și evaporarea „găurilor negre”.

Modelele cu mai multe foi oferă un răspuns la așa-numitul paradox al numărului mare (o altă posibilă explicație este ipoteza lui Guth și colab., care implică o etapă lungă de „inflație”, vezi capitolul 18).

O planetă la marginea unui grup de stele globulare îndepărtat. Artist © Don Dixon

De ce este numărul total de protoni și fotoni dintr-un Univers cu volum finit atât de mare, deși finit? Și o altă formă a acestei întrebări, referitoare la versiunea „deschisă”, este de ce este numărul de particule atât de mare în acea regiune a lumii infinite a lui Lobaciovski, al cărei volum este de ordinul lui A 3 (A este raza de curbură )?

Răspunsul dat de modelul cu mai multe frunze este foarte simplu. Se presupune că au trecut deja multe cicluri de la t = 0; în timpul fiecărui ciclu, entropia (adică numărul de fotoni) a crescut și, în consecință, a fost generat un exces barion în creștere în fiecare ciclu. Raportul dintre numărul de barioni și numărul de fotoni din fiecare ciclu este constant, deoarece este determinat de dinamica etapelor inițiale ale expansiunii Universului într-un ciclu dat. Numărul total de cicluri de la t = 0 este exact astfel încât să se obțină numărul observat de fotoni și barioni. Deoarece numărul lor crește exponențial, pentru numărul necesar de cicluri nu vom obține nici măcar o valoare atât de mare.

Un produs secundar al lucrării mele din 1982 este o formulă pentru probabilitatea coalescenței gravitaționale a găurilor negre (a fost folosită estimarea din cartea lui Zeldovich și Novikov).

O altă posibilitate intrigantă, sau mai degrabă un vis, este asociată cu modelele cu mai multe frunze. Poate că o minte extrem de organizată, care dezvoltă miliarde de miliarde de ani în timpul unui ciclu, găsește o modalitate de a transmite în formă codificată o parte dintre cele mai valoroase părți a informațiilor pe care le are moștenitorilor săi în ciclurile următoare, separate de acest ciclu în timp printr-un perioada unei stări super-dense?.. Analogie - transmiterea de către ființe vii din generație în generație a informațiilor genetice, „comprimate” și codificate în cromozomii nucleului unei celule fecundate. Această posibilitate, desigur, este absolut fantastică și nu am îndrăznit să scriu despre ea în articole științifice, dar pe paginile acestei cărți mi-am dat frâu liber. Dar indiferent de acest vis, ipoteza unui model cu mai multe frunze al Universului mi se pare importantă într-o viziune filozofică asupra lumii.

Dragi vizitatori!

Formulat sub formă de modele ale originii și dezvoltării Universului. Acest lucru se datorează faptului că în cosmologie este imposibil să se efectueze experimente reproductibile și să se deducă legi din acestea, așa cum se face în alte științe ale naturii. În plus, fiecare fenomen cosmic este unic. Prin urmare, cosmologia operează cu modele. Pe măsură ce se acumulează noi cunoștințe despre lumea înconjurătoare, noi modele cosmologice sunt rafinate și dezvoltate.

Modelul cosmologic clasic

Progrese în cosmologie și cosmogonie în secolele XVIII-XIX. a culminat cu crearea unei imagini clasice policentrice a lumii, care a devenit etapa inițială în dezvoltarea cosmologiei științifice.

Acest model este destul de simplu și de înțeles.

1. Universul este considerat infinit în spațiu și timp, cu alte cuvinte, etern.

2. Legea de bază care guvernează mișcarea și dezvoltarea corpurilor cerești este legea gravitației universale.

3. Spațiul nu este în nici un fel legat de corpurile aflate în el, jucând rolul pasiv de container pentru aceste corpuri.

4. Nici timpul nu depinde de materie, fiind durata universală a tuturor fenomenelor și corpurilor naturale.

5. Dacă toate corpurile ar dispărea brusc, spațiul și timpul ar rămâne neschimbate. Numărul de stele, planete și sisteme stelare din Univers este infinit de mare. Fiecare corp ceresc parcurge o cale de viață lungă. Stelele moarte, sau mai degrabă stinse, sunt înlocuite de noi, tineri luminari.

Deși detaliile despre originea și moartea corpurilor cerești au rămas neclare, practic acest model părea armonios și consistent din punct de vedere logic. În această formă, modelul clasic policentric a existat în știință până la începutul secolului al XX-lea.

Cu toate acestea, acest model al universului avea mai multe defecte.

Legea gravitației universale a explicat accelerația centripetă a planetelor, dar nu a spus de unde a venit dorința planetelor, precum și a oricăror corpuri materiale, de a se mișca uniform și rectiliniu. Pentru a explica mișcarea inerțială, a fost necesar să presupunem existența unei „prime împingeri” divine în ea, care a pus în mișcare toate corpurile materiale. În plus, intervenția lui Dumnezeu a fost permisă și pentru a corecta orbitele corpurilor cosmice.

Apariția în cadrul modelului clasic a așa-numitelor paradoxuri cosmologice - fotometrice, gravitaționale, termodinamice. Dorința de a le rezolva i-a determinat pe oamenii de știință să caute noi modele consistente.

Astfel, modelul clasic policentric al Universului era doar parțial de natură științifică; nu putea oferi o explicație științifică a originii Universului și, prin urmare, a fost înlocuit cu alte modele.

Modelul relativist al Universului

Un nou model al Universului a fost creat în 1917 de A. Einstein. S-a bazat pe teoria relativistă a gravitației - teoria generală a relativității. Einstein a abandonat postulatele absolutității și infinitității spațiului și timpului, dar a păstrat principiul staționarității, imuabilitatea Universului în timp și finitudinea lui în spațiu. Proprietățile Universului, conform lui Einstein, sunt determinate de distribuția maselor gravitaționale în el.Universul este nelimitat, dar în același timp închis în spațiu. Conform acestui model, spațiul este omogen și izotrop, adică. are aceleași proprietăți în toate direcțiile, materia este distribuită uniform în ea, timpul este infinit și curgerea sa nu afectează proprietățile Universului. Pe baza calculelor sale, Einstein a concluzionat că spațiul mondial este o sferă cu patru dimensiuni.

În același timp, nu ar trebui să ne imaginăm acest model al Universului sub forma unei sfere obișnuite. Spațiul sferic este o sferă, dar o sferă cu patru dimensiuni care nu poate fi reprezentată vizual. Prin analogie, putem concluziona că volumul unui astfel de spațiu este finit, la fel cum suprafața oricărei bile este finită; el poate fi exprimat într-un număr finit de centimetri pătrați. Suprafața oricărei sfere cu patru dimensiuni este, de asemenea, exprimată într-un număr finit de metri cubi. Un astfel de spațiu sferic nu are granițe și, în acest sens, este nelimitat. Zburând într-un astfel de spațiu într-o direcție, ne vom întoarce în cele din urmă la punctul de plecare. Dar, în același timp, o muscă care se târăște de-a lungul suprafeței mingii nu va găsi nicăieri granițe sau bariere care să îi împiedice să se miște în orice direcție aleasă. În acest sens, suprafața oricărei bile este nelimitată, deși finită, adică. nelimitarea și infinitul sunt concepte diferite.

Deci, din calculele lui Einstein a rezultat că lumea noastră este o sferă cu patru dimensiuni. Volumul unui astfel de Univers poate fi exprimat, deși foarte mare, dar totuși printr-un număr finit de metri cubi. În principiu, poți zbura în jurul întregului Univers închis, mișcându-te tot timpul într-o singură direcție. O astfel de călătorie imaginară este similară cu călătoriile pământești în jurul lumii. Dar Universul, finit ca volum, este în același timp nelimitat, așa cum suprafața oricărei sfere nu are granițe. Universul lui Einstein conține, deși un număr mare, dar încă finit, de stele și sisteme stelare și, prin urmare, paradoxurile fotometrice și gravitaționale nu sunt aplicabile acestuia. În același timp, spectrul morții termice planează asupra Universului lui Einstein. Un astfel de Univers, finit în spațiu, ajunge inevitabil la sfârșit în timp. Eternitatea nu este inerentă în ea.

Astfel, în ciuda caracterului nou și chiar revoluționar al ideilor, Einstein în teoria sa cosmologică a fost ghidat de atitudinea ideologică clasică obișnuită a naturii statice a lumii. Era mai atras de o lume armonioasă și stabilă decât de o lume contradictorie și instabilă.

Modelul Universului în Expansiune

Modelul lui Einstein al Universului a devenit primul model cosmologic bazat pe concluziile teoriei generale a relativității. Acest lucru se datorează faptului că gravitația este cea care determină interacțiunea maselor pe distanțe mari. Prin urmare, nucleul teoretic al cosmologiei moderne este teoria gravitației - teoria generală a relativității. Einstein și-a asumat în modelul său cosmologic prezența unei anumite forțe repulsive ipotetice, care trebuia să asigure staționaritatea și imuabilitatea Universului. Cu toate acestea, dezvoltarea ulterioară a științelor naturale a adus ajustări semnificative acestei idei.

Cinci ani mai târziu, în 1922, fizicianul și matematicianul sovietic A. Friedman, pe baza unor calcule riguroase, a arătat că Universul lui Einstein nu poate fi staționar și neschimbător. În același timp, Friedman s-a bazat pe principiul cosmologic pe care l-a formulat, care se bazează pe două ipoteze: izotropia și omogenitatea Universului. Izotropia Universului este înțeleasă ca absența unor direcții distinse, asemănarea Universului în toate direcțiile. Omogenitatea Universului este înțeleasă ca fiind aceeași a tuturor punctelor Universului: putem efectua observații la oricare dintre ele și peste tot vom vedea un Univers izotrop.

Friedman, bazat pe principiul cosmologic, a demonstrat că ecuațiile lui Einstein au alte soluții, nestaționare, conform cărora Universul se poate extinde sau se poate contracta. În același timp, vorbeam despre extinderea spațiului în sine, adică. despre creșterea tuturor distanțelor din lume. Universul lui Friedman semăna cu un balon de săpun care se umfla, atât raza cât și suprafața sa crescând continuu.

Inițial, modelul Universului în expansiune era ipotetic și nu avea confirmare empirică. Totuși, în 1929, astronomul american E. Hubble a descoperit efectul „deplasării la roșu” a liniilor spectrale (deplasarea liniilor către capătul roșu al spectrului). Acest lucru a fost interpretat ca o consecință a efectului Doppler - o schimbare a frecvenței de oscilație sau a lungimii de undă datorită mișcării sursei de undă și a observatorului unul față de celălalt. „Deplasarea spre roșu” a fost explicată ca o consecință a depărtării galaxiilor unele de altele într-un ritm care crește cu distanța. Conform măsurătorilor recente, creșterea ratei de expansiune este de aproximativ 55 km/s pentru fiecare milion de parsecs.

Ca urmare a observațiilor sale, Hubble a fundamentat ideea că Universul este o lume de galaxii, că Galaxia noastră nu este singura din el, că există multe galaxii separate de distanțe enorme. În același timp, Hubble a ajuns la concluzia că distanțele intergalactice nu rămân constante, ci cresc. Astfel, conceptul de Univers în expansiune a apărut în știința naturii.

Ce fel de viitor ne așteaptă Universul? Friedman a propus trei modele de dezvoltare a Universului.

În primul model, Universul se extinde încet, astfel încât, datorită atracției gravitaționale dintre diferite galaxii, expansiunea Universului încetinește și în cele din urmă se oprește. După aceasta, Universul a început să se micșoreze. În acest model, spațiul se îndoaie, închizându-se pe sine, formând o sferă.

În cel de-al doilea model, Universul s-a extins la infinit, iar spațiul era curbat ca suprafața unei șei și în același timp infinit.

În cel de-al treilea model al lui Friedman, spațiul este plat și, de asemenea, infinit.

Care dintre aceste trei opțiuni urmează evoluția Universului depinde de raportul dintre energia gravitațională și energia cinetică a materiei în expansiune.

Dacă energia cinetică a expansiunii materiei prevalează asupra energiei gravitaționale care împiedică expansiunea, atunci forțele gravitaționale nu vor opri expansiunea galaxiilor, iar expansiunea Universului va fi ireversibilă. Această versiune a modelului dinamic al Universului se numește Univers deschis.

Dacă interacțiunea gravitațională predomină, atunci viteza de expansiune va încetini în timp până când se va opri complet, după care va începe comprimarea materiei până când Universul va reveni la starea sa originală de singularitate (un volum punctual cu o densitate infinit de mare). Această versiune a modelului se numește Univers oscilant sau închis.

În cazul limitativ, când forțele gravitaționale sunt exact egale cu energia expansiunii materiei, expansiunea nu se va opri, dar viteza acesteia va tinde spre zero în timp. La câteva zeci de miliarde de ani după începerea expansiunii Universului, va apărea o stare care poate fi numită cvasi-staționară. Teoretic, este posibilă și o pulsație a Universului.

Când E. Hubble a arătat că galaxiile îndepărtate se îndepărtează unele de altele cu o viteză din ce în ce mai mare, s-a ajuns la o concluzie clară că Universul nostru se extinde. Dar un Univers în expansiune este un Univers în schimbare, o lume cu toată istoria ei, având un început și un sfârșit. Constanta Hubble ne permite să estimăm timpul în care continuă procesul de expansiune a Universului. Se dovedește că nu este mai puțin de 10 miliarde și nu mai mult de 19 miliarde de ani. Durata cea mai probabilă de viață a Universului în expansiune este considerată a fi de 15 miliarde de ani. Aceasta este vârsta aproximativă a Universului nostru.

Opinia unui om de știință

Există și alte modele, chiar și cele mai exotice, cosmologice (teoretice) bazate pe teoria generală a relativității. Iată ce spune profesorul de matematică de la Universitatea Cambridge John Barrow despre modelele cosmologice:

„Sarcina naturală a cosmologiei este să înțelegem cât mai bine posibil originea, istoria și structura propriului nostru Univers. În același timp, relativitatea generală, chiar și fără a împrumuta de la alte ramuri ale fizicii, face posibilă calcularea unui număr aproape nelimitat de modele cosmologice foarte diferite. Desigur, selecția lor se face pe baza datelor astronomice și astrofizice, cu ajutorul cărora este posibil nu numai testarea diferitelor modele pentru conformitate cu realitatea, ci și deciderea care dintre componentele lor pot fi combinate pentru cel mai adecvat. descrierea lumii noastre. Așa a apărut modelul standard actual al Universului. Deci, chiar și din acest motiv, diversitatea istorică a modelelor cosmologice a fost foarte utilă.

Dar nu este doar atât. Multe modele au fost create atunci când astronomii nu acumulaseră încă bogăția de date pe care o au astăzi. De exemplu, adevăratul grad de izotropie al Universului a fost stabilit datorită echipamentelor spațiale doar în ultimele două decenii. Este clar că în trecut, modelatorii spațiali aveau mult mai puține constrângeri empirice. În plus, este posibil ca și modelele care sunt exotice după standardele actuale să fie utile în viitor pentru a descrie acele părți ale Universului care nu sunt încă accesibile pentru observație. Și, în sfârșit, inventarea modelelor cosmologice poate stimula pur și simplu dorința de a găsi soluții necunoscute pentru ecuațiile relativității generale, iar acesta este, de asemenea, un stimulent puternic. În general, abundența unor astfel de modele este de înțeles și justificată.

Uniunea recentă dintre cosmologie și fizica particulelor este justificată în același mod. Reprezentanții săi consideră cea mai timpurie etapă a vieții Universului ca un laborator natural, ideal pentru studierea simetriilor de bază ale lumii noastre, care determină legile interacțiunilor fundamentale. Această uniune a pus deja bazele unui întreg fan al modelelor cosmologice fundamental noi și foarte profunde. Nu există nicio îndoială că în viitor va aduce rezultate nu mai puțin fructuoase.”

La început, Universul a fost o grămadă în expansiune de gol. Prăbușirea sa a dus la Big Bang, în plasma care suflă focul din care au fost falsificate primele elemente chimice. Apoi gravitația a comprimat norii de gaz de răcire timp de milioane de ani. Și apoi primele stele s-au luminat, luminând un Univers grandios cu trilioane de galaxii palide... Această imagine a lumii, susținută de cele mai mari descoperiri astronomice ale secolului al XX-lea, stă pe o bază teoretică solidă. Dar există specialiști cărora nu le place. Ei caută în mod persistent punctele slabe în ea, sperând că o altă cosmologie o va înlocui pe cea actuală.

La începutul anilor 1920, omul de știință din Sankt Petersburg Alexander Friedman, presupunând pentru simplitate că materia umple uniform tot spațiul, a găsit o soluție la ecuațiile relativității generale (GTR), care descriu Universul în expansiune non-staționară. Nici măcar Einstein nu a luat această descoperire în serios, crezând că Universul trebuie să fie etern și neschimbător. Pentru a descrie un astfel de Univers, el a introdus chiar și un termen lambda special „anti-gravitație” în ecuațiile relativității generale. Friedman a murit curând de febră tifoidă, iar decizia sa a fost uitată. De exemplu, Edwin Hubble, care a lucrat la cel mai mare telescop de 100 de inci din lume la Observatorul Mount Wilson, nu auzise nimic despre aceste idei.

Până în 1929, Hubble măsurase distanțele până la câteva zeci de galaxii și, comparându-le cu spectrele obținute anterior, a descoperit în mod neașteptat că cu cât o galaxie este mai îndepărtată, cu atât liniile sale spectrale sunt mai deplasate spre roșu. Cel mai simplu mod de a explica deplasarea la roșu a fost efectul Doppler. Dar apoi s-a dovedit că toate galaxiile se îndepărtau rapid de noi. A fost atât de ciudat încât astronomul Fritz Zwicky a înaintat o ipoteză foarte îndrăzneață a „luminii obosite”, conform căreia nu galaxiile se îndepărtează de noi, ci cuante de lumină în timpul unei călătorii lungi, care experimentează o oarecare rezistență la mișcarea lor, pierzându-și treptat. energie și devin roșii. Apoi, desigur, și-au amintit ideea de a extinde spațiul și s-a dovedit că noile observații mai puțin ciudate se potrivesc bine în această teorie ciudată uitată. Modelul lui Friedman a beneficiat, de asemenea, de faptul că originea deplasării spre roșu în el seamănă foarte mult cu efectul Doppler obișnuit: nici astăzi, nu toți astronomii înțeleg că „împrăștierea” galaxiilor în spațiu nu este deloc aceeași cu expansiunea. a spaţiului însuşi cu cele „îngheţate”.galaxii în el.

Ipoteza „luminii obosite” a dispărut în liniște din scenă până la sfârșitul anilor 1930, când fizicienii au observat că un foton pierde energie doar prin interacțiunea cu alte particule și, în acest caz, direcția mișcării sale se schimbă în mod necesar cel puțin ușor. Deci imaginile galaxiilor îndepărtate în modelul „lumină obosită” ar trebui să se estompeze, ca într-o ceață, dar sunt vizibile destul de clar. Drept urmare, modelul Friedmann al Universului, o alternativă la ideile general acceptate, a atras recent atenția tuturor. (Cu toate acestea, până la sfârșitul vieții sale, în 1953, Hubble însuși a recunoscut că expansiunea spațiului nu putea fi decât un efect aparent.)

Standard alternativ de două ori

Dar, din moment ce Universul se extinde, înseamnă că înainte era mai dens. Inversându-și mental evoluția, studentul lui Friedman, fizicianul nuclear Georgi Gamow, a concluzionat că Universul timpuriu era atât de fierbinte încât în ​​el au avut loc reacții de fuziune termonucleară. Gamow a încercat să explice cu ei prevalența observată a elementelor chimice, dar a reușit să „gătească” doar câteva tipuri de nuclee ușoare în ceaunul primar. S-a dovedit că, pe lângă hidrogen, lumea ar trebui să conțină 23-25% heliu, o sutime de la sută deuteriu și o miliardime de litiu. Teoria sintezei elementelor mai grele din stele a fost dezvoltată ulterior împreună cu colegii săi de concurentul lui Gamow, astrofizicianul Fred Hoyle.

În 1948, Gamow a mai prezis că ar trebui să rămână o urmă observabilă din Universul fierbinte - radiații cu microunde răcite cu o temperatură de câteva grade Kelvin, venite din toate direcțiile cerului. Din păcate, predicția lui Gamow a repetat soarta modelului lui Friedman: nimeni nu se grăbea să caute radiația acestuia. Teoria unui Univers fierbinte părea prea extravagantă pentru a realiza experimente costisitoare pentru a-l testa. În plus, s-au văzut în ea paralele cu creația divină, de care mulți oameni de știință s-au îndepărtat. S-a încheiat cu Gamow abandonarea cosmologiei și trecerea la genetică, care era în curs de dezvoltare în acel moment.

În anii 1950, o nouă versiune a teoriei unui Univers staționar, dezvoltată de același Fred Hoyle împreună cu astrofizicianul Thomas Gold și matematicianul Hermann Bondi, a câștigat popularitate în anii 1950. Sub presiunea descoperirii lui Hubble, ei au acceptat expansiunea Universului, dar nu și evoluția acestuia. Conform teoriei lor, expansiunea spațiului este însoțită de crearea spontană a atomilor de hidrogen, astfel încât densitatea medie a Universului rămâne neschimbată. Aceasta, desigur, este o încălcare a legii conservării energiei, dar una extrem de nesemnificativă - nu mai mult de un atom de hidrogen pe miliard de ani pe metru cub de spațiu. Hoyle și-a numit modelul „teoria creației continue” și a introdus un câmp C special (din engleză creație - creație) cu presiune negativă, care a forțat Universul să se umfle, menținând în același timp o densitate constantă a materiei. Sfidând Gamow, Hoyle a explicat formarea tuturor elementelor, inclusiv a celor ușoare, prin procese termonucleare în stele.

Fondul cosmic cu microunde prezis de Gamow a fost observat accidental aproape 20 de ani mai târziu. Descoperitorii săi au primit Premiul Nobel, iar fierul Univers Friedmann-Gamow a înlocuit rapid ipotezele concurente. Hoyle, însă, nu a cedat și, apărându-și teoria, a susținut că fundalul cu microunde a fost generat de stele îndepărtate, a căror lumină a fost împrăștiată și reemisă de praful cosmic. Dar apoi strălucirea cerului ar trebui să fie pete, dar este aproape perfect uniformă. Treptat, s-au acumulat date despre compoziția chimică a stelelor și a norilor cosmici, care au fost, de asemenea, în concordanță cu modelul lui Gam de nucleosinteză primară.

Astfel, teoria de două ori alternativă a Big Bang-ului a devenit general acceptată sau, așa cum este la modă să spunem astăzi, sa transformat în curentul științific principal. Și acum școlarii sunt învățați că Hubble a descoperit explozia Universului (și nu dependența deplasării roșii de distanță), iar radiația cosmică cu microunde, cu mâna ușoară a astrofizicianului sovietic Joseph Samuilovich Shklovsky, devine o radiație relictă. Modelul Universului fierbinte este „împletit” în mintea oamenilor literalmente la nivelul limbajului.

Patru cauze ale deplasării spre roșu

Pe care ar trebui să o alegeți pentru a explica legea lui Hubble - dependența deplasării spre roșu de distanță?

Săpat sub fundații

Dar natura umană este de așa natură încât, de îndată ce o altă idee de netăgăduit prinde putere în societate, există imediat oameni care vor să se certe. Critica la adresa cosmologiei standard poate fi împărțită în conceptuală, subliniind imperfecțiunea fundamentelor sale teoretice, și astronomică, citând fapte și observații specifice care sunt dificil de explicat.

Ținta principală a atacurilor conceptuale este, desigur, teoria generală a relativității (GR). Einstein a oferit o descriere surprinzător de frumoasă a gravitației, identificând-o cu curbura spațiu-timpului. Totuși, din relativitatea generală rezultă existența găurilor negre, obiecte ciudate în centrul cărora materia este comprimată într-un punct de densitate infinită. În fizică, apariția infinitului indică întotdeauna limitele de aplicabilitate ale unei teorii. La densități ultra-înalte, relativitatea generală trebuie înlocuită cu gravitația cuantică. Dar toate încercările de a introduce principiile fizicii cuantice în relativitatea generală au eșuat, ceea ce îi obligă pe fizicieni să caute teorii alternative ale gravitației. Zeci dintre ele au fost construite în secolul al XX-lea. Majoritatea nu au rezistat testelor experimentale. Dar câteva teorii încă sunt valabile. Printre acestea, de exemplu, se numără teoria câmpului gravitației a academicianului Logunov, în care nu există spațiu curbat, nu apar singularități, ceea ce înseamnă că nu există găuri negre sau Big Bang. Oriunde predicțiile unor astfel de teorii alternative ale gravitației pot fi testate experimental, ele sunt de acord cu cele ale relativității generale și numai în cazuri extreme - la densități ultra-înalte sau la distanțe cosmologice foarte mari - concluziile lor diferă. Aceasta înseamnă că structura și evoluția Universului trebuie să fie diferite.

Noua cosmografie

Cândva, Johannes Kepler, încercând să explice teoretic relațiile dintre razele orbitelor planetare, a cuibărit poliedre regulate unele în altele. Sferele descrise și înscrise în ele i s-au părut calea cea mai directă spre dezlegarea structurii universului - „Misterul cosmografic”, așa cum și-a numit cartea. Mai târziu, pe baza observațiilor lui Tycho Brahe, el a renunțat la vechea idee a perfecțiunii cerești a cercurilor și sferelor, ajungând la concluzia că planetele se mișcă în elipse.

Mulți astronomi moderni sunt, de asemenea, sceptici cu privire la construcțiile speculative ale teoreticienilor și preferă să se inspire uitându-se la cer. Și acolo puteți vedea că Galaxia noastră, Calea Lactee, face parte dintr-un mic cluster numit Grupul Local de galaxii, care este atras de centrul unui nor imens de galaxii din constelația Fecioarei, cunoscut sub numele de Supercluster Local. În 1958, astronomul George Abel a publicat un catalog de 2.712 clustere de galaxii de pe cerul nordic, care, la rândul lor, sunt grupate în superclustere.

De acord, nu arată ca un Univers plin uniform cu materie. Dar fără omogenitate în modelul Friedman este imposibil să se obțină un regim de expansiune în concordanță cu legea lui Hubble. Și nici netezimea uimitoare a fundalului cu microunde nu poate fi explicată. Prin urmare, în numele frumuseții teoriei, omogenitatea Universului a fost declarată un principiu cosmologic și se aștepta ca observatorii să-l confirme. Desigur, la distanțe mici după standardele cosmologice — de o sută de ori mai mare decât Calea Lactee — domină atracția dintre galaxii: ele se mișcă pe orbită, se ciocnesc și fuzionează. Dar, pornind de la o anumită scară de distanță, Universul trebuie pur și simplu să devină omogen.

În anii 1970, observațiile nu ne-au permis încă să spunem cu certitudine dacă au existat structuri mai mari de câteva zeci de megaparsecs, iar cuvintele „omogenitate pe scară largă a Universului” suna ca o mantra protectoare a cosmologiei lui Friedmann. Dar la începutul anilor 1990 situația se schimbase dramatic. La granița constelațiilor Pești și Cetus, a fost descoperit un complex de superclustere care măsoară aproximativ 50 de megaparsecs, care include Superclusterul Local. În constelația Hydra, ei au descoperit mai întâi Marele Atractor cu o dimensiune de 60 de megaparsecs, iar apoi în spatele lui un imens supercluster Shapley de trei ori mai mare. Și acestea nu sunt obiecte izolate. În același timp, astronomii au descris Marele Zid, un complex lung de 150 de megaparsecs, iar lista continuă să crească.

Până la sfârșitul secolului, producția de hărți 3D ale Universului a fost pusă în funcțiune. Într-o expunere la telescop, se obțin spectre de sute de galaxii. Pentru a face acest lucru, un manipulator robot plasează sute de fibre optice în planul focal al camerei Schmidt cu unghi larg la coordonate cunoscute, transmitând lumina fiecărei galaxii individuale către laboratorul spectrografic. Cel mai mare studiu SDSS de până acum a determinat deja spectrele și deplasările spre roșu a unui milion de galaxii. Iar cea mai mare structură cunoscută din Univers rămâne Marele Zid din Sloan, descoperit în 2003 conform studiului CfA-II anterior. Lungimea sa este de 500 de megaparsecs, adică 12% din distanța până la orizontul Universului Friedmann.

Odată cu concentrațiile de materie, au fost descoperite și multe regiuni pustii ale spațiului - goluri, unde nu există galaxii sau chiar materie întunecată misterioasă. Multe dintre ele depășesc 100 de megaparsecs în dimensiune, iar în 2007, Observatorul Național de Radio Astronomie American a raportat descoperirea unui Mare Vid cu un diametru de aproximativ 300 de megaparsecs.

Însăși existența unor astfel de structuri grandioase provoacă cosmologia standard, în care se dezvoltă neomogenități din cauza aglomerației gravitaționale a materiei din micile fluctuații de densitate rămase de la Big Bang. La vitezele naturale de mișcare observate ale galaxiilor, ele nu pot călători mai mult de o duzină sau două megaparsecuri pe toată durata de viață a Universului. Și atunci cum putem explica concentrația unei substanțe care măsoară sute de megaparsecs?

Entități întunecate

Strict vorbind, modelul lui Friedman „în forma sa pură” nu explică formarea nici măcar de structuri mici - galaxii și clustere, cu excepția cazului în care îi adăugăm o entitate specială neobservabilă, inventată în 1933 de Fritz Zwicky. În timp ce studia clusterul Coma, el a descoperit că galaxiile sale se mișcau atât de repede încât ar trebui să zboare cu ușurință. De ce nu se dezintegrează clusterul? Zwicky a sugerat că masa sa era mult mai mare decât cea estimată din sursele luminoase. Așa a apărut masa ascunsă în astrofizică, care astăzi se numește materie întunecată. Fără el, este imposibil de descris dinamica discurilor galactice și a clusterelor de galaxii, îndoirea luminii atunci când trece pe lângă aceste clustere și însăși originea lor. Se estimează că există de 5 ori mai multă materie întunecată decât materie luminoasă normală. S-a stabilit deja că acestea nu sunt planetoide întunecate, nu găuri negre și nici particule elementare cunoscute. Materia întunecată constă probabil din niște particule grele care participă doar la interacțiuni slabe.

Recent, experimentul italo-rus prin satelit PAMELA a detectat un exces ciudat de pozitroni energetici în razele cosmice. Astrofizicienii nu cunosc o sursă adecvată de pozitroni și sugerează că aceștia ar putea fi produsele unui fel de reacție cu particulele de materie întunecată. Dacă da, atunci teoria nucleosintezei primordiale a lui Gamow ar putea fi în pericol, deoarece nu presupunea prezența unui număr mare de particule grele necunoscute în Universul timpuriu.

Misteriosa energie întunecată a trebuit să fie adăugată urgent modelului standard al Universului la începutul secolelor XX și XXI. Nu cu mult înainte de aceasta, a fost testată o nouă metodă de determinare a distanțelor până la galaxii îndepărtate. „Lumânarea standard” din ea au fost exploziile de supernove de un tip special, care la înălțimea focarului au întotdeauna aproape aceeași luminozitate. Luminozitatea lor aparentă este folosită pentru a determina distanța până la galaxia unde a avut loc cataclismul. Toată lumea se aștepta ca măsurătorile să arate o ușoară încetinire a expansiunii Universului sub influența autogravitației materiei sale. Cu mare surprindere, astronomii au descoperit că expansiunea Universului, dimpotrivă, se accelerează! Energia întunecată a fost inventată pentru a oferi repulsia cosmică universală care umflă Universul. De fapt, nu se poate distinge de termenul lambda din ecuațiile lui Einstein și, ceea ce este mai amuzant, de câmpul C din teoria Bondi-Gold-Hoyle a unui univers staționar, în trecut principalul competitor al cosmologiei Friedmann-Gamow. Așa migrează ideile speculative artificiale între teorii, ajutându-le să supraviețuiască sub presiunea unor fapte noi.

Dacă modelul original al lui Friedman avea un singur parametru determinat din observații (densitatea medie a materiei din Univers), atunci odată cu apariția „entităților întunecate” numărul parametrilor de „ajustare” a crescut considerabil. Acestea nu sunt doar proporțiile „ingredientelor” întunecate, ci și proprietățile lor fizice asumate în mod arbitrar, cum ar fi capacitatea de a participa la diferite interacțiuni. Nu este adevărat că toate acestea amintesc de teoria lui Ptolemeu? Tot mai multe epicicluri i-au fost adăugate, de asemenea, pentru a obține consistență cu observațiile, până când s-a prăbușit sub greutatea propriului său design prea complicat.

Univers DIY

În ultimii 100 de ani, au fost create o mare varietate de modele cosmologice. Dacă mai devreme fiecare dintre ele era percepută ca o ipoteză fizică unică, acum atitudinea a devenit mai prozaică. Pentru a construi un model cosmologic, trebuie să vă ocupați de trei lucruri: teoria gravitației, de care depind proprietățile spațiului, distribuția materiei și natura fizică a deplasării spre roșu, din care derivă dependența: distanța - deplasarea către roșu R(z). Aceasta stabilește cosmografia modelului, ceea ce face posibilă calcularea diferitelor efecte: cum luminozitatea unei „lumânări standard”, dimensiunea unghiulară a unui „metru standard”, durata unei „secunde standard” și luminozitatea suprafeței. a unei „galaxii de referință” se schimbă cu distanța (sau mai bine zis, cu deplasarea spre roșu). Tot ce rămâne este să privești cerul și să înțelegi care teorie dă predicțiile corecte.

Imaginează-ți că seara stai într-un zgârie-nori lângă fereastră și te uiți la marea de lumini ale orașului care se întinde dedesubt. Sunt mai puțini în depărtare. De ce? Poate că există periferii sărace acolo, sau chiar dezvoltarea sa încheiat complet. Sau poate că lumina de la felinare este estompată de ceață sau smog. Sau curbura suprafeței Pământului îl afectează, iar luminile îndepărtate pur și simplu trec dincolo de orizont. Pentru fiecare opțiune, puteți calcula dependența numărului de lumini de distanță și puteți găsi o explicație potrivită. Așa studiază cosmologii galaxiile îndepărtate, încercând să aleagă cel mai bun model al Universului.

Pentru ca testul cosmologic să funcționeze, este important să găsiți obiecte „standard” și să țineți cont de influența tuturor interferențelor care le distorsionează aspectul. Cosmologii observaționali se luptă cu asta timp de opt decenii. Luați, să zicem, testul dimensiunii unghiulare. Dacă spațiul nostru este euclidian, adică nu este curbat, dimensiunea aparentă a galaxiilor scade invers proporțional cu deplasarea spre roșu z. În modelul lui Friedmann cu spațiu curbat, dimensiunile unghiulare ale obiectelor scad mai lent și vedem galaxii puțin mai mari, ca peștii într-un acvariu. Există chiar și un model (Einstein a lucrat cu el în stadiile incipiente), în care galaxiile mai întâi scad în dimensiune pe măsură ce se îndepărtează, apoi încep să crească din nou. Problema, totuși, este că vedem galaxiile îndepărtate așa cum erau în trecut, iar pe parcursul evoluției dimensiunile lor se pot schimba. În plus, la mare distanță, petele de ceață apar mai mici - datorită faptului că este greu să le vezi marginile.

Este extrem de dificil să se ia în considerare influența unor astfel de efecte și, prin urmare, rezultatul unui test cosmologic depinde adesea de preferințele unui anumit cercetător. Într-o gamă largă de lucrări publicate, se pot găsi teste care confirmă și infirmă o varietate de modele cosmologice. Și doar profesionalismul omului de știință determină pe care dintre ei să creadă și pe care nu. Iată doar câteva exemple.

În 2006, o echipă internațională de trei duzini de astronomi a testat dacă exploziile de supernove îndepărtate s-au extins în timp, așa cum este cerut de modelul lui Friedmann. Ei au primit total acord cu teoria: fulgerele se prelungesc exact de atâtea ori cât scade frecvența luminii care vine din ele - dilatarea timpului în relativitatea generală are același efect asupra tuturor proceselor. Acest rezultat ar fi putut fi un alt cui final în sicriul teoriei unui Univers staționar (primul cu 40 de ani în urmă a fost numit de Stephen Hawking drept fundal cosmic cu microunde), dar în 2009, astrofizicianul american Eric Lerner a publicat exact rezultatele opuse. obtinut printr-o metoda diferita. El a folosit testul de luminozitate a suprafeței pentru galaxii, inventat de Richard Tolman încă din 1930, special pentru a alege între un univers în expansiune și unul static. În modelul Friedmann, luminozitatea suprafeței galaxiilor scade foarte repede odată cu creșterea deplasării spre roșu, iar în spațiul euclidian cu „lumină obosită” dezintegrarea este mult mai lentă. La z = 1 (unde, conform lui Friedman, galaxiile sunt aproximativ jumătate mai tinere decât cele din apropierea noastră), diferența este de 8 ori, iar la z = 5, care este aproape de limita capacităților telescopului spațial Hubble, este este de peste 200 de ori. Testul a arătat că datele coincid aproape perfect cu modelul „luminii obosite” și se depărtează puternic de cel al lui Friedman.

Motiv pentru îndoială

Cosmologia observațională a acumulat o mulțime de date care pun la îndoială corectitudinea modelului cosmologic dominant, care, după ce a adăugat materie întunecată și energie, a început să fie numit LCDM (Lambda - Cold Dark Matter). O problemă potențială pentru LCDM este creșterea rapidă a deplasărilor la roșu record ale obiectelor detectate. Masanori Iye, un angajat al Observatorului Național Astronomic Japonez, a studiat modul în care au crescut deplasările spre roșu deschise record ale galaxiilor, quasarelor și exploziilor de raze gamma (cele mai puternice explozii și cele mai îndepărtate faruri din Universul observabil). Până în 2008, toți au depășit deja pragul z = 6, iar recordul z al exploziilor de raze gamma a crescut deosebit de rapid. În 2009, au stabilit un alt record: z = 8,2. În modelul lui Friedman, aceasta corespunde unei vârste de aproximativ 600 de milioane de ani după Big Bang și se potrivește la limita cu teoriile existente despre formarea galaxiilor: nu mai vor avea timp și pur și simplu nu vor avea timp să se formeze. Între timp, progresul în indicatorii z nu pare să se oprească - toată lumea așteaptă date de la noile telescoape spațiale Herschel și Planck, lansate în primăvara lui 2009. Dacă apar obiecte cu z = 15 sau 20, va deveni o criză LCDM completă.

O altă problemă a fost observată în 1972 de către Alan Sandage, unul dintre cei mai respectați cosmologi observaționali. Se pare că legea lui Hubble se menține prea bine în imediata vecinătate a Căii Lactee. La câțiva megaparsecs de noi, materia este distribuită extrem de neomogen, dar galaxiile nu par să observe acest lucru. Deplasările lor spre roșu sunt exact proporționale cu distanțele lor, cu excepția celor care sunt foarte aproape de centrele clusterelor mari. Vitezele haotice ale galaxiilor par a fi atenuate de ceva. Făcând o analogie cu mișcarea termică a moleculelor, acest paradox este uneori numit răceala anormală a fluxului Hubble. Nu există o explicație cuprinzătoare pentru acest paradox în LCDM, dar primește o explicație naturală în modelul „lumină obosită”. Alexander Raikov de la Observatorul Pulkovo a emis ipoteza că deplasarea spre roșu a fotonilor și amortizarea vitezelor haotice ale galaxiilor ar putea fi o manifestare a aceluiași factor cosmologic. Și același motiv poate explica anomalia în mișcarea sondelor interplanetare americane Pioneer 10 și Pioneer 11. Când au părăsit sistemul solar, au experimentat o încetinire mică, inexplicabilă, doar cantitatea potrivită numeric pentru a explica răceala fluxului Hubble.

O serie de cosmologi încearcă să demonstreze că materia din Univers este distribuită nu uniform, ci fractal. Aceasta înseamnă că indiferent de scara pe care o considerăm Universul, acesta va dezvălui întotdeauna o alternanță de clustere și goluri ale nivelului corespunzător. Primul care a abordat acest subiect a fost fizicianul italian Luciano Piotroneiro în 1987. Și în urmă cu câțiva ani, cosmologul din Sankt Petersburg Yuri Baryshev și Pekka Teerikorpi din Finlanda au publicat o monografie extinsă „The Fractal Structure of the Universe”. O serie de articole științifice susțin că, în studiile cu deplasarea spre roșu, natura fractală a distribuției galaxiilor este dezvăluită cu încredere până la o scară de 100 de megaparsecs, iar eterogenitatea poate fi urmărită până la 500 de megaparsecs sau mai mult. Și recent, Alexander Raikov, împreună cu Viktor Orlov de la Universitatea de Stat din Sankt Petersburg, au descoperit semne ale unei distribuții fractale în catalogul exploziilor de raze gamma la scară de până la z = 3 (adică conform modelului Friedmann în majoritatea Universul vizibil). Dacă acest lucru este confirmat, cosmologia urmează o schimbare majoră. Fractalitatea generalizează conceptul de omogenitate, care, din motive de simplitate matematică, a fost luat ca bază a cosmologiei secolului al XX-lea. Astăzi, fractalii sunt studiati activ de matematicieni, iar noi teoreme sunt dovedite în mod regulat. Fractalitatea structurii pe scară largă a Universului poate duce la consecințe foarte neașteptate și cine știe dacă ne așteaptă înainte schimbări radicale în imaginea Universului și a dezvoltării lui?

Plânge din inimă

Și totuși, indiferent cât de inspirați sunt „dizidenții” cosmologici de astfel de exemple, astăzi nu există o teorie coerentă și bine dezvoltată a structurii și evoluției Universului care să difere de LCDM standard. Ceea ce se numește în mod colectiv cosmologie alternativă constă dintr-o serie de afirmații care sunt ridicate pe bună dreptate de susținătorii conceptului general acceptat, precum și dintr-un set de idei promițătoare de diferite grade de sofisticare care pot fi utile în viitor, dacă un program de cercetare alternativ puternic. apare.

Mulți susținători ai viziunilor alternative tind să accentueze prea mult ideile individuale sau contraexemplele. Ei speră că, demonstrând dificultățile modelului standard, acesta poate fi abandonat. Dar, așa cum a susținut filozoful științei Imre Lakatos, nici experimentul, nici paradoxul nu pot distruge o teorie. Doar o teorie nouă, mai bună ucide o teorie. Nu există încă nimic de oferit pentru o cosmologie alternativă.

Dar de unde vor veni noi evoluții serioase, „alternativele” se plâng, dacă peste tot în lume, în comitetele de granturi, în redactiile revistelor științifice și în comisiile de distribuție a timpului de observare a telescoapelor, majoritatea sunt susținători ai standardului. cosmologie. Ei, spun ei, blochează pur și simplu alocarea de resurse pentru munca care se află în afara curentului cosmologic, considerând că este o risipă inutilă de fonduri. În urmă cu câțiva ani, tensiunile au atins atât de mult încât un grup de cosmologi a scris o „Scrisoare deschisă către comunitatea științifică” foarte dură în revista New Scientist. Acesta a anunțat înființarea organizației publice internaționale Alternative Cosmology Group (www. cosmology. info), care de atunci și-a ținut periodic propriile conferințe, dar nu a reușit încă să schimbe semnificativ situația.

Istoria științei cunoaște multe cazuri când un nou program de cercetare puternic s-a format în mod neașteptat în jurul unor idei care erau considerate profund alternative și de puțin interes. Și, poate, actuala cosmologie alternativă disparată poartă în sine germenul unei viitoare revoluții în imaginea lumii.