Часть 1. С доисторических времён люди задумывались о строении Мира, тесно переплетая свои знания с фантастическими и религиозными представлениями

БОЛЬШОЙ ВЗРЫВ ИЛИ МАЛЕНЬКИЙ?

НАЧАЛО ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ

Часть 1.

С доисторических времён люди задумывались о строении Мира, тесно переплетая свои знания с фантастическими и религиозными представлениями. В античные времена греки сделали первые попытки в выработке научных представлений о Мире, решительно старались отделить природу от мистики и объяснить её "реальными" духовными или материальными началами. В 17-м веке естествознание, наконец, становится на прочный фундамент экспериментирования и математизации – установления количественных зависимостей. В механике И.Ньютон упорядочил результаты исследований своих предшественников, изучая труды Декарта, Кеплера, Галилея, Гука, Гюйгенса и многих других, и обобщил законы, уже применявшиеся в частных случаях. Ньютон начал с определения базисных физических понятий, таких как масса, инерция, количество движения, сила и т.п. Он впервые чётко отделил величину массы от величины веса (силы тяжести). В "Началах" Ньютон дал формулировки трёх теперь всем известных законов классической механики: закона инерции; закона, выражающего пропорциональность силы ускорению; закона равенства действия и противодействия. После общих правил изучения природы на основе опытных данных Ньютон формулирует закон тяготения: все тела притягиваются друг к другу с силой обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

После Ньютона трудами Эйлера, Даламбера и Лагранжа проблемы механики полностью сводятся к математическим задачам, решение которых облегчается созданием дифференциального исчисления. В классической физике для абстрактных замкнутых систем (на которые не действуют внешние силы) были сформулированы фундаментальные законы сохранения, на которых базируются все знания человечества, - это законы сохранения энергии, количества движения (импульса), углового момента и многие другие. В 1900г. М.Планк закладывает основы квантовой механики, а в 1905г. А.Эйнштейн – основы теории относительности, показывая также связь между энергией и массой в своей знаменитой формуле E=m*c^2. Эйнштейн сформулировал свои основные физические принципы, на которых базируется его теория: гипотезы о геометрической природе гравитации, о взаимосвязи материи и геометрии пространства-времени. Однако он в своей теории не дал объяснения физической сущности таких явлений как гравитация, инерция, масса, энергия и т.п. Он предложил отказаться от светоносного эфира и абсолютного пространства, выдвинув так называемый принцип относительности. В действительности это было идеализацией реальности и сейчас вместо ясной физической картины Мира мы имеем набор абстрактно-математических моделей, призванных с той или иной степенью адекватности отражать какую-либо сторону реальности.

В последнее время считается, что пространство Вселенной заполнено физическим вакуумом, исполняющим роль "релятивистского эфира". Вакуум по предложению П.Дирака представляет собой особый вид материи – "море" заряженных частиц, находящихся в минимально возможном энергетическом состоянии. В нём присутствуют электромагнитные и гравитационные поля, а также электрические, барионные и лептонные заряды. В среде с полями и зарядами и их флуктуациями хаотично рождаются и аннигилируют пары элементарных частиц виртуального перехода энергии в массу и обратно массы в энергию. Соседние флуктуации быстро обмениваются энергией (примерно за 10^-24сек). В современной физике считается, что масса материального тела, которая является точной физической мерой количества материи, содержащейся в теле, может быть при определённых обстоятельствах превращена в чистую энергию и наоборот энергия может быть превращена в массу тела.

Физический вакуум включает в себя виртуальные частицы – аналоги различных элементарных частиц, только возникающие и мгновенно исчезающие, то есть существующие ничтожно малое время в сравнении с их реальными двойниками. Взаимодействие между виртуальными или реальными частицами, вполне вероятно, может происходить и с другими, соседними, парами, а освободившиеся реальные частицы имитируют "дрожание" в пространстве или перемещаются в направлении минимума энергии вакуума.

Изучая структуру пространственной протяжённости элементарных частиц, учёные выяснили, что она различна и по-разному проявляется при различных физических взаимодействиях. Например, электромагнитная структура элементарных частиц имеет величину порядка 10^-11см, а ядерная – порядка 10^-13см. Слабые взаимодействия проявляются в масштабе порядка 10^-17см, а что касается гравитационного взаимодействия, то ему соответствует область глубокого субмикромира 10^-33см. Элементарные частицы как бы окутаны различными "шубами" виртуальных частиц и античастиц, которые определяют соответствующие взаимодействия. Выявление подобной сложной многоуровневой структурности микрообъектов ставит под сомнение их элементарность.

В последнее время физики пытаются выработать единую теорию, которая в принципе способна объяснить все природные явления. Одна из них это теория суперструн, на основе которой объясняется устройство Вселенной. Главным её успехом является гармоничный союз общей теории относительности и квантовой механики. Если теория струн справедлива, то микроскопическая структура нашей Вселенной представляет собой сложно переплетённый многомерный лабиринт, в котором струны Вселенной бесконечно закручиваются и вибрируют. Теория струн утверждает, что каждая из частиц материи представляет собой крошечную колеблющуюся струну, имеющую форму петли планковских размеров. Поскольку нет ничего более фундаментального, то нельзя описать струну как, состоящее из каких-то других компонентов. Расчеты показали, что по теории струн Вселенная должна иметь более девяти пространственных измерений и плюс одно временное, и при этом струны могут колебаться не только в трёх больших протяжённых измерениях, но и в крошечных свёрнутых. Не у всех хватит воображения представить физическую сущность такой картины. Кроме того, большое сомнение вызывает то, что фундаментальная частица так сложно устроена. Встав на точку зрения космологии, можно предположить, что по теории суперструн вначале все пространственные измерения находились в туго свёрнутом состоянии до планковской длины, а затем, в ходе Большого взрыва, три пространственных измерения развернулись до своего современного состояния, тогда как остальные пространственные измерения остались малыми. Однако теория суперструн не даёт представление о существующих начальных условиях, когда Вселенная рождается из комка планковских размеров, и она в отличие от многих других научных открытий не является окончательно разработанной теорией, имеющей надёжное экспериментальное подтверждение и полностью принятой научным сообществом.

Многие учёные в настоящее время принимают за основу эфиродинамическую модель Мира, объясняющую многие природные явления и физическую сущность Мироздания. Квантовые и релятивистские эффекты при этом возникают как следствие принимаемой модели, а не как абстрактные умозрительные постулаты теории относительности и квантовой теории поля, возведённые современной физикой в ранг "абсолютных истин". С точки зрения эфиродинамики гипотетические "чёрные дыры" и "нейтронные звёзды", как объекты, предсказываемые общей теорией относительности, не существуют.

Эфиродинамическая модель основана на концепции вакуума как активной среды, в рамках которой рассмотрен широкий круг вопросов и понятий, объясняющих природу основных физических взаимодействий и явлений. Прежде всего, необходимо принять как факт, что всё мировое пространство заполнено материальной средой – газоподобной высокоэнергетической субстанцией (эфирным газом). Такой эфир есть первоматерия, т.к. предшествует элементарным частицам и имеет самый глубинный, начальный, уровень самоорганизации и усложнения материи, склонной при определённых условиях к уплотнениям и к вихреобразованиям, которые являются зачатками элементов обычной материи. Эта газоподобная среда, предположительно, состоит из первоматерии, частицы которой погружены в некий бесструктурный физический континуум, отождествляемый с физическим пространством, а число частиц в бесконечно малом объёме достаточно большое для того, чтобы среду считать непрерывной. Что представляют собой эти частицы, то этот вопрос в рамках эфиродинамики пока остаётся открытым.

Физическими инвариантами вакуумной (эфирной) динамики, в отличие от современной релятивистской физики, являются: трёхмерное евклидово пространство, независимо текущее время и материя в двух состояниях – в виде элементарных частиц, структурированных в "обычное" вещество, и в виде заполняющего пространство разреженного эфирного газа. Вещество, все частицы и материальные тела непрерывно поглощают энергию эфира окружающего пространства, и этот процесс является необходимым условием их существования. Эфир, как материальная среда, обладает свойствами идеального газа и должен характеризоваться параметрами: плотностью, давлением, температурой, скоростью поступательного (либо вращательного) движения эфирной среды. Вязкость эфирного газа пренебрежимо мала. Анализ данных взаимодействия элементарных частиц позволяет выявить структуру и динамику их внутренних движений в виде плотных эфирных вихреобразований (торцевых и тороидальных вращений), представляющих собой элементарные частицы вещества – нуклоны (протоны, нейтроны), электроны, а также фотоны. Эти частицы относятся к стабильным частицам. Из комбинации этих частиц состоит вся материя Вселенной. Короткоживущие (нестабильные) частицы представляют собой неустойчивые вихри, скорости вращения и энергия которых недостаточны для образования устойчивых вихрестоков. Они распадаются обратно на первоматерию эфира. Структура античастиц отличается знаком направления вращения кольцевых эфирных струй по отношению к направлению тороидального вращения (знаком винтового движения), следствием чего является обратная картина взаимодействия с электромагнитными полями. Силовое взаимодействие тел с эфиром складывается из сил, действующих на каждый атом тела в отдельности, а точнее - на каждый нуклон атомного ядра. Нуклон является основным элементом материи на уровне вещества, поскольку 99,95% массы атома сосредоточено в его ядре. Нуклон представляет собой тороидальный вихревой сгусток эфира, уплотнённый до квазижидкого состояния. Форма нуклона близка к сферической, но не имеет чётко выраженной границы. Остальной объём тел для эфира прозрачен.

Явление гравитации обусловлено радиальными ускоренными потоками эфирной материи к центрам масс тел, когда скорость эфирного потока увеличивается с уменьшением площади поперечного сечения гравитационного поля. Гравитация есть следствие поглощения эфира вещественными телами, а сам же эфирный газ, обладая, вообще говоря, массой не коллапсирует и никакими гравитационными свойствами не обладает, стремясь к состоянию наибольшего расширения и обладанию максимальной энтропией. Изначальным его свойством является упругое отталкивание, а не притяжение. Поглощение части эфира веществом ведёт к росту массы и объёма тела с течением времени за счёт образования нового вещества. Источником гравитации является, по сути, эфир космического пространства Вселенной. Гигантские течения эфирной субстанции, соизмеримые с размерами галактик, управляют движением материи, формируя крупномасштабные галактические и метагалактические структуры, а около отдельных космических тел и их скоплений формируются локальные течения эфира в виде стоков, направленных к их центрам.

Сегодня эволюция Вселенной является научным фактом, всесторонне обоснованным многочисленными астрофизическими наблюдениями и имеющим под собой прочный теоретический базис всей физики. Во Вселенной, как и во времена Ньютона, главной силой остаётся гравитация. Началом развития современной космологии являются работы петроградского учёного А.Фридмана, выполненные в 1922-1924гг. Сам Эйнштейн поначалу пришёл к выводу, что Вселенная стационарна. На основе теории Эйнштейна А.Фридман построил математические модели движения вещества во всей Вселенной под действием сил тяготения и доказал, что вещество Вселенной не может находиться в покое. Вселенная не может быть стационарной; она должна либо расширяться, либо сжиматься и, следовательно, плотность вещества во Вселенной должна либо уменьшаться, либо увеличиваться. Так была теоретически открыта необходимость глобальной эволюции Вселенной. Американский астроном Э.Хаббл, наблюдая за отдалёнными галактиками и измеряя смещение спектральных линий, экспериментально установил, что Вселенная расширяется. Причём сегодня мир расширяется ускоренно. Возникает важнейший вопрос: почему Вселенная именно расширяется и почему ускоренно? Теории тяготения, как Ньютона, так и Эйнштейна не отвечают на этот вопрос. При движении по инерции скорости галактик должны замедляться – именно это торможение описывает теория тяготения. Эйнштейн даже ввёл в свои уравнения тяготения так называемую космологическую постоянную, описывающую силы отталкивания вакуума.

Различными теоретиками были построены многочисленные модели Вселенной и проведена реконструкция истории Вселенной. Какие процессы происходили в самом начале расширения Вселенной, т.е. что было десять-двадцать миллиардов лет назад?

Современная теория космической эволюции выглядит так. Около 15 миллиардов лет назад Вселенная изверглась в результате мощного сингулярного взрыва, разметавшего в стороны всё пространство и материю. Учёные вычислили температуру (порядка 10^32 К), которая была у Вселенной через 10^-43сек после Большого взрыва (так называемое планковское время), и далее всю эволюцию Вселенной с образованием и формированием вещества по мере охлаждения Вселенной в течение времени от первых мгновений до настоящего времени. Теорию Большого взрыва подтверждает открытие расширения Вселенной, реликтового излучения космоса с температурой примерно на 2,7К выше абсолютного нуля и относительное содержание во Вселенной лёгких элементов: гелия, дейтерия, лития. Отметим, что самые точные сегодняшние измерения не обнаружили отклонений в интенсивности реликтового излучения в разных направлениях на небе. Это свидетельствует о том, что Вселенная изотропна с высокой точностью и однородна в большом масштабе. Однако если непосредственно применять уравнения общей теории относительности к моменту Большого взрыва, то размер Вселенной становится равным нулю, а температура и плотность обращаются в бесконечность. Допускается также экстраполяция уравнений состояния материи вплоть до так называемых планковских плотностей (примерно 10^94 г/см^ 3). Такие сверхвысокие значения плотности возникают при обосновании "сценария раздувающейся (инфляционной) Вселенной" в первые мгновения после Большого взрыва. Дело в том, что теория относительности, накладывая ограничения на скорость света, не накладывает никаких ограничений на физическое состояние вещества, даже если эти ситуации физически нереальны. Это явный признак того, что данная теоретическая модель Вселенной, прочно базирующаяся на классическом описании гравитации в общей теории относительности, теряет всякий смысл. Вблизи сингулярности требуется описание другой, более общей теории. Дело в том, что, современная квантовая теория предсказывает возникновение квантовых эффектов тяготения вблизи сингулярности, когда размерности пространства-времени становятся равными планковской длине (примерно 10^-33см). Чтобы установить радиус кривизны пространства-времени, при котором существенны следующие явления: тяготение, кванты, релятивизм (большие скорости), надо составить произведение из всех трёх основных констант (гравитационной постоянной, постоянной Планка и скорости света), возведённых в такие степени, чтобы произведение имело размерность длины.

В последние годы развитие теории элементарных частиц привело к заключению, что в самом начале расширения Вселенной, вероятно, существенны были так называемые фазовые переходы, и важна предыстория расширения. Однако законченной теории пока нет, а на вопрос о прошлом Вселенной даётся такой ответ: вещество до начала расширения никогда не находилось в разреженном состоянии. А при сверхбольшой плотности (больше 10^93 г/см^3) изменяется сам смысл понятий пространства, времени, состояния. Пространство и время приобретают квантовый (дискретный) характер, существенно меняются понятия: "раньше" и "позже", "длительность" и т.д. Если это так, то вопрос о том, что было до сингулярности и как возникло такое состояние, что было, скажем, в минус первую секунду, оказывается некорректным, неправильно поставленным. Иными словами это означает, что простым смертным этого никогда не понять. Однако, хотя всё это сейчас лишь одни предположения, ясно, что Вселенная развивается по объективным законам, которые с успехом познаются наукой, а человеческое воображение и логика позволяет наглядно представить картину Мироздания на десятки миллиардов лет в прошлом и в будущем.