Космические модели вселенной. Третья естественно-научная революция

Первая релятивистская космологическая модель (модель Вселенной) была   предложена самим Эйнштейном. Это была стационарная конечная сферическая замкнутая модель. Затем российский физик, геофизик и космолог А. А. Фридман (1888-1925) в 1922г. нашел ряд решений для расширяющихся Вселенных, заполненных веществом. Три модели Вселенной Фридмана и поныне служат основой для самых современных космических построений, Фридман сделал два очень простых предположения: во-первых, Вселенная выглядит одинаково, в каком бы направлении мы ее не наблюдали (изотропность Вселенной), и во-вторых, это утверждение должно оставаться справедливым и в том случае, если бы мы производили наблюдения из какого-нибудь другого места (однородность Вселенной). Эти два предположения составляют так называемый космологический принцип. Не прибегая ни к каким другим предположениям, Фридманпоказал, что Вселенная не должна быть статической.

Предположение об одинаковости Вселенной во всех направлениях на самом деле, конечно, неверно. Как мы знаем, другие звезды в нашей Галактике образуют четко выделяющуюся световую полосу, которая проходит через все небо - Млечный путь. Но если брать за единицу наблюдения не звезды, а галактики, то их число во всех направлениях примерно одинаково. Следовательно, Вселенная действительно "примерно" одинакова во всех направлениях при наблюдении в масштабе, большем по сравнению с расстоянием между галактиками. Долгое время это было единственным обоснованием гипотезы Фридмана как "грубого" приближения к реальной Вселенной. Но потом выяснилось, что астрономи­ческие наблюдения, сделанные в XX в., согласуются с космологическими моделями Фридмана и свидетельствуют о том, что Вселенная расширяется из начальной сингулярности (т.е. из очень малого объема, где плотность материи бесконечна).

Эйнштейн сначала высказывал сомнения относительно теоретической обоснованности космологических моделей Фридмана, но вскоре признал необоснованность своих сомнений.

       С другой стороны, американский астроном Э. Хаббл (1889-1953) в 1929г., сопоставляя наблюдаемое систематическое доплеровское "покраснение" далеких галактик по мере их удаления от нас, установил, что эти галактики равномерно удаляются от нашей Галактики и друг от друга, т.е. вся наша Метагалактика систематически равномерно расширяется. Напомним, что эффект Доплера - это изменение длины волны света при движении  источника света и наблюдателя друг относительно друга (когда они удаляются друг от друга длина волны увеличивается, т.е. свет “краснеет”, т.н. «красное смещение»).                                                  

Выяснилось, что нашу, в общем достаточно однородную и изотропную Метагалактику, которая равномерно расширяется, действительно можно описывать соответствующей релятивисткой космологической моделью Фридмана.

Обобщая сказанное, мы можем утверждать, что третья глобальная естественно-научная революция радикально преобразовала научную картину мира, изменив астрономию, космологию и физику и означала полный отказ от всякого центризма.

Если каждую из трех глобальных естественно-научных революций назвать по именам ученых, завершавших эти революции, то последние две революции.можно назвать ньютоновской и эйнштейновской.                                                                                       

Как устроена Вселенная? Как она "живет" и развивается? Конечна она или бесконечна? Возникла ли она какое-то время назад или существовала всегда? Будет ли она существовать вечно или когда-нибудь наступит ее конец?

Вот те ключевые вопросы, которые придают космологии необычайную привлекательность. По существу это фундаментальные вопросы естествозна­ния.

Ньютон представлял Вселенную бесконечной. Его закон всемирного тяготения столкнулся с непреодолимой трудностью, когда речь зашла о Вселен­ной как о едином целом. Действительно, если бы звездная Вселенная обладала конечными размерами, то в гравитационное взаимодействие (т.е. притяжение) вовлеклась бы каждая частица вещества и Вселенная сколлапсировала бы в единую массу. Чтобы это преодолеть, Ньютон постулировал, что Вселенная бесконечна, так что силы тяготения в данной точке взаимно компенсируются и нет общего центра, на который могло бы все падать.

Отметим в этой связи один очень важный факт: ночное небо темное. Почему? Ведь в бесконечной Вселенной каждый взгляд наблюдателя в любом направлении встречал бы звезду и над нами должно было бы быть ослепительно яркое небо без всяких темных промежутков! Но небо-то - темное! Объяснение этого факта лежит в космологической модели расширяющейся Вселенной. Чем дальше находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется от нас, и тем больше красное смещение линий ее спектра. А красное смещение излучения источника ослабляет его интенсивность. На определенном расстоянии красное смещение становится так велико, что свет сдвигается в инфракрасную область, и мы уже не видим света источника. Согласно закону Хаббла (закон разбегания галактик) определенную границу имеет по крайней мере наблюдаемая часть Вселенной, т.е. красное смещение порождает космологический "горизонт", за который наш взгляд проникнуть уже не может. Так как свет от объектов, лежащих за космологическим горизонтом, не доходит до нас, то нет никаких проблем и с темнотой ночного неба.

Какой, казалось бы, простой вопрос, а ответ на него потребовал наших современных знаний о Вселенной.

Попытаемся ответить также на вопрос: существует ли центр Вселенной? На первый взгляд, закон Хаббла говорит о том, что мы находимся в центре расширения мира, и все галактики во Вселенной удаляются от нас, т.е. мы как бы находимся в центре мира. Но есть и другой ответ на этот вопрос. Вселенная будет выглядить одинаково во всех направлениях и в том случае, если смотреть на нее из какой-нибудь другой галактики (гипотеза однородности Вселенной Фридмана). В модели Фридмана все галактики удаляются друг от друга. На самом деле это следствие расширения Вселенной как единого целого. Для пояснения этого важного момента сравним модель Вселенной с воздушным шариком. Нанесем на надутый шарик точки (галактики) и будем его продолжать надувать. Расстояние между любыми двумя точками увеличивает­ся, но ни одну из них нельзя назвать центром расширения. И еще: чем больше расстояние между точками, тем быстрее они удаляются друг от друга. Итак, опять модель Фридмана подсказала нам ответ на поставленный вопрос.

Существуют три разные модели Фридмана, для которых выполним космологический принцип. В первой модели Вселенная расширяется медленно, затем из-за гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедляется и в конце концов прекращается. После этого Вселенная начинает сжиматься. В остальных моделях сжатия не происходит, Вселенная расширяется бесконечно.

   Но какая из моделей Фридмана подходит для нашей Вселенной? Перестанет ли Вселенная расширяться и начнёт сжиматься или же будет расширяться вечно?

Пока на этот вопрос мы ответить не можем. Для этого нужно знать нынешнюю скорость расширения Вселенной и ее среднюю плотность.

Все варианты модели Фридмана имеют общее: в какой-то момент времени в прошлом (примерно 14 миллиардов лет назад) расстояние между соседними галактиками должно было равняться нулю. В этот момент (называемый Большим Взрывом) плотность Вселенной и кривизна пространс­тва-времени должны были быть бесконечными. Поскольку математики не умеют обращаться с бесконечно брльшими величинами, это означает, что, согласно общей теории относительности во Вселенной должна быть точка, в которой сама эта теория неприменима. Такая точка называется особой или сингулярной. В этой точке наши теории неверны из-за бесконечной плотности материи и бесконечной кривизны пространства-времени. Следовательно, если перед Большим Взрывом и происходили какие-то события, по ним нельзя было спрогнозировать будущее. Следовательно, те события, которые происходили до Большого Взрыва нужно исключить из модели и считать началом отсчета времени момент Большого Взрыва.,

Итак, если верна общая теория относительности, то Вселенная могла иметь сингулярную точку, Большой Взрыв, с которого начался отсчет времени и родилась наша Вселенная.

                      2.13. Элементарные частицы и силы в природе

Аристотель считал вещество непрерывным, - т.е. любой кусок вещества можно бесконечно дробить на все меньшие и меньшие кусочки, так и не дойдя до такой крошечной крупинки, которая дальше бы не делилась. Однако, другие древнегреческие философы, например, Демокрит, придерживались мнения, что материя имеет зернистую структуру и что все в мире состоит из большого числа разных атомов. Проходили века, но продолжался бездоказательный спор как с той, так и с другой стороны. Спор этот длился до начала нашего века, пока английский физик Джозефер Томсон (1856-1940) не открыл в 1897г. простейшую элементарную частицу материи - электрон. Вскоре стало ясно, что электроны должны вылетать из атомов. В 1911г. английский физик Эрнст Резерфорд, доказал, что атомы вещества действительно обладают внутренней структурой: они состоят из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных  электронов.

Сначала предполагали, что ядро атома состоит из электронов и положительно заряженных частиц, которые назвали протонами. Однако, в 1932 г. Джеймс Чэдвик обнаружил, что в ядре есть еще и другие частицы - нейтроны, масса которых почти равна массе протона, но которые не заряжены.

Как говорилось выше, частицы могут себя вести подобно волне (корпускулярно-волновой дуализм). Открытие волновой природы электрона раскрыло новый, своеобразный мир явлений. Изящная теория электрона была предложена выдающимся физиком-теоретиком П.Дираком в 1928 г. Эта теория дает нам возможность определить, когда электрон сходен с частицей, а когда - с волной. Одна из посылок теории Дирака об электроне заключалась в том, что должна существовать элементарная частица, обладающая такими же свойствами, как и электрон, но с положительным зарядом. Такая частица (или античастица) была обнаружена и названа позитроном. Из теории Дирака также следовало, что позитрон и электрон, взаимодействуя между собой (реакция аннигиляции), образуют пару фотонов, т.е. квантов электромагнитного излучения. Возможен и обратный процесс {процесс рождения), когда фотон, взаимодействуя с ядром, превращается в пару электрон-позитрон. Кроме того, электрон и позитрон могут возникать и исчезать не только совместно, но и по отдельности - при взаимных превращениях нейтронов и протонов или их античастиц, т.е. антинейтронов и антипротонов.

Характерное для волновой механики (механика, которая рассматривает частицу как волну) вероятностное распределение рассматриваемых частиц (каждой частице сопоставляется волновая функция, квадрат амплитуды которой равен вероятности обнаружить частицу в определенном объеме) относится не только к электрону. В случае атомных ядер оно позволяет составляющим эти ядра нуклонам (т.е. протонам и нейтронам) "просачиваться" через непреодолимый для них потенциальный барьер наружу - этотак называемый квантово-механический туннельный эффект.

Еще лет двадцать пять тому назад протоны и нейтроны считались элементарными частицами, но эксперименты по взаимодействию движущихся с большими скоростями протонов (нейтронов) и электронов показали, что на самом деле протоны и нейтроны состоят каждый из трех еще более мелких частиц. Впервые исследовал эти частицы американский физик-теоретик М. Гелл-Манн. Он назвал их кварками.

Известно несколько разновидностей кварков: предполагают, что существует по крайней мере шесть ароматов, которым отвечают u- кварк, d - кварк, s-кварк, c-кварк, b-кварк и t-кварк. Кварк каждого аромата может иметь еще и один из трех цветов - красный, зеленый, синий.. Это просто обозначения и цвета в обычном смысле слова у них нет. Итак, мы узнали, что ни атомы, ни находящиеся внутри атома протоны с нейтронами не являются неделимыми, а потому возникает вопрос: "Что же такое настоящие элементарные частицы?”

Поскольку длины световых волн значительно больше размеров атома, у нас нет надежды "увидеть" составные части атома обычным способом. Для этой цели необходимы значительно меньшие длины волн.

Согласно квантовой механике, все частицы являются еще и волнами и чем выше энергия частицы, тем меньше соответствующая длина волны. Следовательно, ответ на поставленный вопрос зависит от того, насколько высока энергия частиц, имеющихся в нашем распоряжении, потому что этой энергией и определится, насколько малы масштабы тех длин, которые мы сможем наблюдать.

Таким образом, разгоняя частицы в ускорителях (например, в
синхрофазотроне) мы получим значительные энергии. Взаимодействуя с
другими частицами, эти высокоэнергетические частицы позволяют "заглянуть
вглубь" тех частиц, которые считаются элементарными. Так физики узнали,
что частицы, которые лет двадцать назад считались элементарными, на самом
деле состоят из меньших частиц. А что если при переходе к еще более высоким
энергиям окажется, что и эти меньшие частицы, в свою очередь, состоят из
еще меньших? Когда эта цепочка оборвется? Правда ученые, работающие в
области физики элементарных частиц, считают, что наука уже владеет или
почти владеет сведениями об исходных "кирпичиках", из которых построено
все в природе: это кварки и электроны.  

Теперь поговорим о некоторых характеристиках элементарных
частиц. Они имеют вращательную характеристику - спин. Понятие о спине можно получить из такого простого представления: возьмем детскую игрушку – волчок (юлу), поставим его вертикально и отпустим, волчок падает. Но если волчок предварительно раскрутить, то он будет располагаться вертикально. Это говорит о том, что у вращающегося тела появляется новое свойство, новое качество – способность сохранять в пространстве направление оси вращения. Вот это новое свойство и характеризуют понятием спин.

Все известные частицы во Вселенной в зависимости от спина частицы можно разделить на две группы: фермионы - частицы со спином 1/2, из которых состоит любое вещество во Вселенной (нейтроны, протоны, кварки, легкие частицы - лептоны и тяжелые частицы - гипероны) и бозоны - частицы со спином 0, 1 и 2, которые создают силы, действующие между частицами вещества (фотоны и частицы под общим названием - мезоны).                                                                                                                               Частицы вещества (фермионы) подчиняются принципу запрета Паули, открытому в 1925 г. австрийским физиком Вольфгангом Паули. Принцип Паули гласит, что две одинаковые частицы не могут существовать в одном и том же состоянии, т.е. не могут иметь координаты и скорости, одинаковые с той точностью, которая задается принципом неопределенности. Если частицы вещества имеют очень близкие значения координат, то их скорости должны быть разными и, следовательно, они не смогут долго находиться в точках с этими координатами. Если бы при возникновении Вселенной не учитывался принцип Паули, кварки не могли бы объединиться в единые, четко определенные частицы - нейтроны и протоны, а те, в свою очередь, не смогли бы вместе с электронами образовать отдельные, четко определенные атомы. Без принципа Паули все эти частицы сколлапсировали бы и превратились в более или менее однородное "желе".

В квантовой механике предполагается, что все силы или взаимодействия между частицами вещества переносятся частицами с целочисленным спином, равным 0, 1 или 2. Это происходит следующим образом. Частица вещества, например, электрон или кварк, испускает другую частицу, которая является переносчиком взаимодействия (например, фотон). В результате отдачи скорость частицы вещества меняется. Затем частица-переносчик "налетает" на другую частицу вещества и поглощается ею. Это соударение изменяет скорость второй частицы, как будто между этими двумя частицами вещества действует сила. Частицы-переносчики, которыми обмениваются частицы вещества, называются виртуальными, потому что в отличие от "реальных" их нельзя непосредственно зарегистрировать при помощи детектора частиц. Однако они существуют, потому что они создают эффекты, поддающиеся измерению.

Частицы-переносчики можно классифицировать на четыре типа в зависимости от величины переносимого ими взаимодействия и от того, с какими частицами они взаимодействовали.

1.Первая разновидность - гравитационная сила. Это означает, что любые тела, обладающие массой, взаимодействуют между собой. Это очень слабая сила, зависящая от масс взаимодействующих тел и от расстояния между ними, которую мы вообще не заметили бы, если бы не два ее специфических свойства: гравитационные силы действуют и на больших расстояниях и всегда являются силами притяжения.

В квантово-механическом подходе к гравитационному полю считается, что гравитационная сила, действующая между двумя частицами материи, переносится частицей со спином 2, которая называется гравитоном. Гравитон не обладает собственной массой и поэтому переносимая им сила является дальнодействующей. Гравитационное взаимодействие между Солнцем и Землей объясняется тем, что частицы, из которых состоят Земля и Солнце, обмениваются гравитонами. Несмотря на то, что в обмене участвуют лишь виртуальные частицы, создаваемый ими эффект безусловно поддается измерению, потому что этот эффект - вращение Земли вокруг Солнца. Пока гравитоны.зарегистрировать не удалось, они остаются гипотетическими частицами, но в их существовании физики не сомневаются.

2. Следующий этап взаимодействия создается электромагнитными силами, которые действуют между электрически заряженными частицами, но не отвечают за взаимодействие таких незаряженных частиц как нейтроны. Электромагнитные взаимодействия гораздо сильнее гравитационных: электромагнитная сила, действующая между двумя электронами, примерно в 10⁴⁰ раз больше гравитационной силы. В отличие от гравитационных сил, которые являются силами притяжения, одинаковые по знаку заряды отталкиваются, разноименно заряженные - притягиваются. Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны.

3. Взаимодействие третьего типа называется слабым взаимодейст­вием. Оно отвечает за распад элементарных частиц, за радиоактивность и существует между всеми частицами вещества со спином 1/2, но в нем не участвуют частицы со спином 0 и 2 -фотоны и гравитоны.

В 1967 г. английский физик-теоретик Абдус Салам и американский физик из Гарварда Стивен Вайнберг одновременно предложили теорию, которая объединяла слабое взаимодействие с электромагнитным. Вайнберг и Салам высказали предположение о том, что в дополнение к фотону существует еще три частицы со спином 1, которые вместе называются  промежуточным векторным бозоном и являются переносчиками слабого взаимодействия. Эти бозоны были обозначены символами W⁺, W^- и Z⁰. Массы бозонов предсказывались большими, чтобы создаваемые ими силы имели очень маленький радиус действия. Примерно через десять лет предсказания, полученные в теории Вайнберга-Салама,  подтвердились экспериментально.       

4. Сильное ядерное взаимодействие представляет собой взаимодейст­вие четвертого типа, которое удерживает кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Переносчиком сильного взаимодействия считается частица со спином 1, которая называется глюоном.   Глюоны взаимодействуют только с кварками и с другими глюонами. У сильного взаимодействия есть одно необычное свойство - оно обладает конфайнментом (от англ. confinement - ограничение, удержание). Конфайнмент состоит в том, что при попытке разделить протон или нейтрон на отдельные кварки возникают мощнейшие силы притяжения, которые не позволяют это сделать. Следствием конфайнмента является то, что мы не можем наблюдать отдельный кварк или глюон.

После успешного объединения электромагнитного и слабого взаимодействий стали предприниматься попытки соединения этих двух видов с сильным взаимодействием, чтобы в результате получилась так называемая теория великого объединения. Было предложено несколько вариантов таких "великих" теорий.

Конечно, в этом названии есть некоторая доля преувеличения: во-первых, все предложенные теории на самом деле вовсе не такие уж и великие, а во-вторых, они просто не могут объединить в себе все четыре вида взаимодействий по причине того, что совсем не рассматривают гравитацион­ные взаимодействия. Темне менее, такие теории могут стать определенным шагом на пути создания полной теории объединения, охватывающей все взаимодействия. Теории великого объединения "проливают свет" и на само наше существование. Не исключено, что наше существование есть следствие образования протонов. Такая картина начала Вселенной представляется наиболее естественной. Земное вещество, в основном, состоит из протонов, но в нем нет ни антипротонов, ни антинейтронов. Эксперименты с космичес­кими лучами подтверждают, чтото же самое справедливо и для всего вещества в нашей Галактике!

Как уже говорилось, теории великого объединения не включают в себя гравитационное взаимодействие. Гравитационные силы так малы, что их влиянием можно пренебречь, когда мы имеем дело с элементарными частицами или атомами. Однако тот факт, что гравитационные силы являются дальнодействующими, да еще и всегда силами притяжения, означает, что результаты их воздействия всегда суммируются. Следовательно, если имеется достаточное количество вещества, то гравитационные силы могут стать больше всех остальных сил. Вот почему эволюция Вселенной определяется именно гравитацией.

Большинство физиков верят в создание единой теории, в которой все четыре силы оказались бы разновидностью одной.

                   ОБЗОРНЫЕ ЛЕКЦИИ 3-4 (2).