АСТРОНОМІЯ - М. В. Головко 2018

Частина 2. Основи астрономії

Розділ IV. Елементи космології

ТЕМА 4.1. ВСЕСВІТ ЯК ЦІЛІСНЕ СЕРЕДОВИЩЕ ЖИТТЯ

§ 28. ВСЕСВІТ ЯК ЦІЛЕ

Всесвіт як ціле вивчає окремий розділ астрономії - космологія (нині її інколи позиціонують як окрему науку на «перетині» астрономії, фізики й математики). Витоки космології знаходять у давніх міфах і легендах, філософських вченнях і навіть релігійних віруваннях. Суто наукова космологія бере початок від часу створення (1916) А. Айнштайном загальної теорії відносності.

1. Розвиток уявлень про Всесвіт.

Вже давньогрецькі філософи висловили низку здогадок про будову Всесвіту. Наприклад, про те, що Земля, як і Сонце, обертається навколо якогось гігантського небесного вогнища чи про те, що Земля має форму кулі (Парменід, VI - V ст. до н. е.) й обертається навколо своєї осі (Гераклід Понтійський, V - IV ст. до н. е.) тощо.

Французький філософ і вчений Рене Декарт (1596-1650) створив теорію вихорів - космогонічну гіпотезу, згідно з якою Сонце та інші зорі занурені в певну субстанцію - ефір. Обертання Сонця надає обертального руху прилеглому до нього ефіру, і цей рух поширюється на весь космічний простір. Для XVII ст. ідея Р. Декарта була новаторською, хоча й помилковою.

Видатний англійський фізик Ісаак Ньютон (1642-1727) на підставі геліоцентричної системи світу М. Коперника та законів Кеплера сформулював закон всесвітнього тяжіння, що пояснив причини руху небесних тіл. Ньютон створив першу наукову модель Всесвіту, яку називають механістичною картиною світу - в її основі лежать закони механіки.

Великий німецький філософ Іммануїл Кант (1724-1804) створив першу універсальну концепцію еволюційного нескінченного Всесвіту. Він обґрунтував можливість виникнення Всесвіту винятково під дією механічних сил притягання й відштовхування та намагався з'ясувати подальшу його долю на всіх масштабних рівнях - від планетної системи до світу туманностей. Кант вважав, що Всесвіт має величезну кількість зоряних систем, розкиданих у просторі, як острови в океані.

Загальна теорія відносності, створена Альбертом Айнштайном (1879-1955), спонукала до радикального перегляду уявлень про Всесвіт. Уперше принципово нові космогологічні наслідки загальної теорії відносності розкрив

радянський математик і фізик-теоретик Олександр Фрідман (1888-1925) у своїх моделях Всесвіту.

Невдовзі ці теоретичні моделі знайшли підтвердження зі спостережень рухів далеких галактик, виконані наприкінці 20-х років ХХ ст. Е. Габблом. Установлення факту розширення Всесвіту зруйнувало уявлення про його вічність і незмінність в часі й привело до створення різних теорій зародження й еволюції Всесвіту.

2. Космологічні моделі Всесвіту.

Моделі, з допомогою яких намагаються описати загальні закономірності еволюції Всесвіту як цілого, називають космологічними. Відтоді, як І. Ньютон створив теорію гравітації на підставі закону всесвітнього тяжіння, в астрономії панувала теорія стаціонарного Всесвіту - класична ньютонівська космологія. Вона спиралась на такі постулати: а) Всесвіт завжди був, є і буде стаціонарним, тобто незмінним (змінюватися можуть окремі космічні системи, але не світ у цілому); б) простір і час абсолютні, метрично нескінченні, однорідні й ізотропні і не залежать від матеріальних об'єктів і процесів, що відбуваються у Всесвіті.

Ньютонівська космологія має два парадокси, пов'язані з постулатом нескінченності Всесвіту. Перший парадокс отримав назву гравітаційного. Суть його така: якщо Всесвіт нескінченний і в ньому існує нескінченна кількість небесних тіл, то сила тяжіння буде нескінченно великою, і Всесвіт має зазнати колапсу, а не існувати вічно. Другий парадокс називають фотометричним: якщо існує нескінченна кількість небесних тіл, то світність неба має бути нескінченною. Але ми такого явища не спостерігаємо.

Ці парадокси не можна вирішити в рамках ньютонівської космології, але їх знімає сучасна космологія, в межах якої було введено уявлення про Всесвіт, що розширюється й еволюціонує.

Першу релятивістську космологічну модель Всесвіту розробив А. Айнштайн, відкинувши постулати ньютонівської космології про абсолютність та нескінченність простору і часу та застосувавши космологічний принцип, згідно з яким наш Всесвіт є однорідним й ізотропним. Поняття однорідності означає - вигляд Всесвіту в один і той самий момент часу не залежить від місця спостереження. Вивчаючи Всесвіт з будь-якої його точки в один і той самий момент часу, ви отримаєте однакові результати. А поняття ізотропності означає, що властивості Всесвіту не залежать від напрямку, в якому його спостерігають. Всі напрямки у Всесвіті рівноправні.

На відносно невеликих масштабах (до 80 Мпк) «нитки» і «стіни», утворені зі скупчень і надскупчень галактик, що огортають войди, є відхиленням від однорідності. Бо з різних точок цього об'єму картина ближнього Всесвіту буде дещо різною. Але астрономічні спостереженння свідчать: на великих масштабах (більших за 100 Мпк) однорідність розподілу матерії у Всесвіті й відсутність виділених напрямків виконуються з належною точністю.

Космологічну модель Всесвіту А. Айнштайн розробив, спираючись на основне рівняння тяжіння, яке входить до створеної ним раніше загальної теорії відносності (ЗТВ). Це рівняння пов'язує кривизну простору-часу з матерією, що заповнює даний викривлений простір. Згідно з цією теорією, простір і час - величини взаємозалежні. їх визначає розподіл гравітаційних мас у Всесвіті. А його властивості як цілого, зумовлені значенням середньої густини речовини та іншими фізичними параметрами. Тобто з рівнянь випливало, що Всесвіт не є стаціонарним, а має або стискатись, або розширюватись.

На початку ХХ ст. така модель не узгоджувалася з відомими астрономічними спостережними даними. Для тодішних астрономів простір не залежав від часу, а Всесвіт був нескінченним в часі й безмежним у просторі. Щоб отримати розв'язок свого рівняння для статичного й незмінного Всесвіту, Айнштайн увів до нього безрозмірну сталу, яка позначала силу, що протидіяла гравітації, тобто запобігала стисканню. Цю сталу він позначив грецькою літерою Λ (лямбда) і припустив її значення таким малим, щоб не помічати її прояву в природі. Отак космологічна модель Айнштайна стала моделлю стаціонарного Всесвіту. Тепер цей член називають космологічною сталою, і вважають що вона описує властивості вакууму.

Коли було з'ясовано, що основне рівняння тяжіння ЗТВ має не одне, а багато розв'язків, з'явилися інші космологічні моделі Всесвіту. Одну з таких у 1917 р. запропонував голландський астроном Віллем де Сіттер. Ця модель передбачала можливість швидкого руху космічних об'єктів і стала попередницею пізніших теорій Всесвіту, що розширюється.

Рис. 28.1. Портрет О. Фрідмана та ілюстрації до космологічних моделей: відкритий Всесвіт; закритий Всесвіт; пульсівний Всесвіт

У 1922 р. О. Фрідман знайшов нові розв'язки рівняння тяжіння ЗТВ, з яких випливало кілька сценаріїв розвитку Всесвіту. Серед них був цікавий варіант, коли космологічна стала дорівнювала нулю (Λ = 0). Тоді еволюція Всесвіту стає залежною від початкового значення густини речовини, а Всесвіт, заповнений масою, на яку діє сила тяжіння, не може бути статичним. Він має або розширюватися, або стискатися.

Космологічна модель О. Фрідмана вказує на те, що розвиток Всесвіту залежить від кількості речовини в ньому (інакше - від значення середньої густини речовини у Всесвіті). Якщо середня густина речовини і випромінювання р у Всесвіті дорівнює або менша за деяку критичну величину р (р = р або р < р), то Всесвіт необмежено розширюється від початкового точкового стану. Якщо р більша за р, (р > р), то розширення Всесвіту на якомусь етапі зміниться на стискання, що триватиме аж до точки сингулярності (рис. 28.1). Нині за різними оцінками значення _ск^с_{кскскск}pк ~(8-9,3)х 10« г/см.^30-3

Спостереження Е. Габбла спонукали Жоржа Леметра в 1927 р. розробити космологічну модель Всесвіту, згідно з якою наш світ виник унаслідок вибуху надщільної матерії («первинного атома»). У цій моделі Всесвіт, після вибуху, розширюється так, як це описують рівняння ЗТВ. Окрім цього, Ж. Леметр математично довів, що радіальна швидкість розширення має бути пропорційна відстані від Сонячної системи. Зі спостережень цю залежність знайшов, згадаймо, Е. Габбл у 1929 р. і її тепер називають законом Габбла-Леметра.

Отже, на кінець 20-х років ХХ ст. космологічні моделі, що свідчили про нестаціонарну природу нашого Всесвіту, отримали спостережне підтвердження. Проте існували й проблеми. Наприклад, модель Леметра давала змогу оцінити тривалість існування Всесвіту - для цього потрібно було визначити величину сталої Н в рівнянні закону Габбла-Леметра. Спроби визначити сталу Габбла приводили до висновку, що наш світ виник лише близько двох мільярдів років тому. Однак геологи стверджували, Земля набагато старіша. Астрономи також не мали сумнівів - у Всесвіті дуже багато зір значно більшого віку.

1946 р. Джордж Гамов запропонував нову космологічну модель. Згідно з нею Всесвіт, за якусь мить після народження, складався з відомих частинок - електронів, фотонів, протонів і нейтронів. Ця суміш містилась у крихітному (порівнюючи з нинішнім) об'ємі, і тому її густина була великою та мала високу температуру.

Хоча модель «гарячого» народження Всесвіту пояснювала механізм утворення основного ізотопу гелію (Не), вона також мала суттєві неузгодженості. Щоправда з неї випливав один цікавий висновок - космічний простір має пронизувати мікрохвильове випромінювання, що виникло через 300 тис. р. після народження Всесвіту.⁴

До відкриття у 1965 р. мікрохвильового випромінювання в космології домінувала інша модель Всесвіту (автори Ф. Хойл, Т. Голд і Г. Бонді), що залишилась в історії астрономії під назвою «Космологія стабільного стану». Модель вказувала на повну рівноправність не лише всіх точок простору, але й усіх моментів часу. Це означає, що Всесвіт розширюється, але не має початку, тобто існує вічно. В такому Всесвіті спостерігають явище розбігання галактик, але розширення простору, на думку Хойла, забезпечувало С-поле (поле творіння, від англ. сгеаВоп) з від'ємним тиском. Водночас в космосі мала «спонтанно» виникати нова речовина, причому з такою інтенсивністю, що середня густина матерії залишалася незмінною. Походження елементів, зокрема водню і гелію, Хойл пояснював термоядерними процесами в зорях.

3. Теорія Великого Вибуху.

Після того, як астрономи довели, що стала Габбла на порядок менша за попередні оцінки, вік Всесвіту в космологічній моделі з Великим Вибухом зріс до 10-20 млрд років (сучасна оцінка - 13,7 млрд років ± 200 млн. Тому коли в 1965 р. А. Пензіас і Р. Вільсон зареєстрували передбачене в «гарячій» моделі походження Всесвіту випромінювання - теорія Великого Вибуху посіла чільне місце серед космологічних моделей. Нині її вважають стандартною й загальновизнаною, а всі інші - надбанням історії науки.

Головна її особливість полягає в тому, що Всесвіт мав початок, тобто виник колись унаслідок своєрідного вибуху: енергія наче зненацька вихлюпнулась з якогось далекого від сучасного розуміння стану, породивши тим самим наш світ. Цю грандіозну подію називають «Великим Вибухом».

Хоча момент народження нашого Всесвіту називають Великим Вибухом, варто розуміти, що із звичайним вибухом він не має нічого спільного. Звичайний вибух відбувається в певну мить у певному місці простору. Проте до моменту Великого Вибуху не було ні простору, ні часу. Вони виникли після Великого Вибуху. Тобто наслідком цієї події стала поява Всесвіту, який почав розширюватися. А тому порівнювати подію народження Всесвіту зі звичайним вибухом не можна.

Наш всесвіт народився дуже гарячим і відразу почав розширюватися. Висока густина й температура унеможливлюють існування будь-яких складних утворень. Тому в дуже молодому Всесвіті немає не лише звичних нам атомів та їхніх ядер, але навіть найпростіше ядро, водневе, тобто одиночний протон, не може існувати. Речовина Всесвіту в цей момент - набір елементарних частинок і квантів випромінювання, які безперервно перетворюються одне в одне. Однак розширення Всесвіту приводить до того, що він стає холоднішим і енергія частинок стає меншою за масу протона. Тільки відтоді має сенс говорити про хімічний склад Всесвіту (ч. 2, § 22, п. 3), адже в ньому виникає Н (водень).

На користь теорії Великого Вибуху (інколи вживають термін «стандартна космологія») є кілька доказів, серед яких факт розширення Всесвіту. Також ця теорія пояснює поширеність у Всесвіті легких хімічних елементів, таких як гелій і літій. Але головним доказом є наявність космічного фонового (реліктового) випромінювання (ч. 2, § 29), яке можна спостерігати.

Теорія Великого Вибуху, пояснивши багато космологічних проблем, водночас поставила низку інших. Наприклад, що було до Великого Вибуху? Чому Всесвіт однорідний і чому кривизна простору має нульове значення, тобто він плоский, а отже, його описує геометрія Евкліда? Деякі з цих проблем вирішила інфляційна (ч. 2, § 29) теорія Великого Вибуху. Інші проблеми, наприклад, причину Великого Вибуху, науковці намагаються пояснити в рамках нових космологічних теорій.

Одна з таких - теорія струн, у якій елементарні частинки вважають не точками, а одномірними протяжними об'єктами - квантовими струнами.

Космологічні моделі Всесвіту, що спираються на теорію струн, розглядають Великий Вибух як флуктуацію, що спричинила виділення з п-мірного простору-часу нашого всесвіту з його трьома просторовими вимірами й одномірним часом. У такий спосіб вдається «обійти» проблему початку Всесвіту, але досі немає ніяких підтверджень існування інших просторових вимірів, як і не спостережено жодної одномірної струни.

НАВЧАЛЬНЕ ЗАВДАННЯ

• Статичний Всесвіт, тобто такий, що не розширюється і не стискається, не може реально існувати. Обґрунтуйте це.

ВИСНОВКИ

Теорія Великого Вибуху має декілька доказів, серед яких і факт розширення Всесвіту, а також існування космічного фонового (реліктового) випромінювання, яке можна спостерігати.