Как появилась Вселенная: научные подходы и версии. Как появилась Вселенная? Теории и предположения

Не многие люди, живущие в современном обществе, смогут уверенно рассказать о том, каким образом возникла Вселенная. Мало кто на сегодняшний день задумывается, а как она смогла превратиться в громадное колоссальное пространство, не знающее определенных и четких границ. Немногие думают о том, что может произойти с Вселенной через миллиарды лет.Тематика подобного рода всегда мучила древние умы ученых мужей, в лице неутомимых исследователей и философов, которые в порыве минутного озарения создавали собственные шедевры – интересные и очень безумные теории, касающиеся истории возникновения Вселенной.

Современные ученые зашли дальше в рамках научного познания, чем их древние предшественники. Многие астрономы, физики, а вместе с ними и космологи убеждены в том, что Вселенная могла появиться в результате масштабного взрыва, который смог стать не только родоначальником основной части материи, но и стать базисом для формирования всех главнейших физических законов, определившим существование космоса. Это явление принято называть «теорией Большого взрыва».

Смысл теории

Ее основы чрезвычайно просты. Теория констатирует тот факт, что материя современная и материя, существовавшая в далекой-предалекой древности, идентичны друг другу, так как по сути своей они являются одним и тем же изучаемым объектом. Вся материя сформировалась примерно 13,8 миллиардов лет назад. В те далекие времена она существовала в виде точки, или компактно сформированного абстрактного тела в форме шара, обладающего в свою очередь бесконечной плотностью и определенной температурой. Данное состояние учеными принято называть «сингулярностью». По неизвестным причинам эта самая сингулярность внезапно начала стремительно расширяться в разные стороны, вследствие чего и появилась Вселенная.Данная точка зрения является на самом деле лишь гипотезой, причем одной из самых распространенных и популярных на сегодняшний день. Она принята наукой в качестве объяснения, касающегося возникновения материи, основных физических законов и колоссальной структуры самой Вселенной. Это связано с тем, что в теории Большого взрыва описаны причины, которые повлияли на расширение Вселенной, так же в ней содержится огромное количество прочих аспектов и феноменов, связанных с безграничным пространством.

Экскурс в историю

Тематика Большого взрыва стала актуальна для науки с самого начала прошлого столетия. В 1912 году астроном из США по имени Весто Слайфер в течение некоторого времени провел ряд наблюдений за спиральными галактиками (раннее принимались за туманности), в ходе которых ученому удалось измерить допплеровское красное смещение этих самых галактик. Он пришел к выводу, что объект его исследования на протяжении определенного временного интервала все дальше и дальше удаляется прочь от Млечного Пути.Наука на месте долго не стояла, и уже в 1922-м году советский космолог и математик А. Фридман, опираясь на труды Эйнштейна, смог из уравнений, относящихся к теории относительности, вывести свои уравнения. Именно он стал первым ученым, кто смог заявить ученому обществу о расширении Вселенной, высказав одно только личное предположение.

Эдвин Хаббл в 1924-м году измерил дистанцию от Земли до ближайшей к ней спиральной туманности, чем доказал, что рядом могут находиться другие галактические системы. Проводя свои эксперименты при помощи мощного телескопа, ученый установил взаимосвязь, образованную между расстоянием галактик и скоростью, с которой те друг от друга удалялись.

Церковь всегда навязывала людям то мнение, что Бог сотворил мир практически за неделю, то есть за 6 дней. Это догмата христианской религии активно поддерживается и по сей день. Однако не все церковные канонники убеждены в данной точке зрения.

Отцом-основателем концепции теории Большого взрыва принято считать священнослужителя, Жоржа Леметра. Он стал первым человеком, который поставил перед обществом вопрос о происхождении такого мирового безграничного пространства, как Вселенная. Он занимался исследованием первобытного атома и его превращения многочисленных осколков в небесные тела – звезды с галактиками. В 1927 году священник опубликовал собственные доводы в газете. Когда с размышлениями Леметра ознакомился великий Эйнштейн, он отметил, что священник абсолютно все правильно рассчитал, однако познания святого отца в области физики мэтра не удовлетворили. Теория Большого взрыва была принята только в 1933 году, когда сам Эйнштейн сдался под напором тезисов и фактов научного открытия, признав версию Леметра одной из самых убедительных из всех тех, с которыми ему только доводилось сталкиваться.Над тайной происхождения Вселенной работал и сам Эйнштейн. Ученый в 1931 году написал рукопись, в которой он изложил свой вариант событий, отличный от версии Жоржа Леметра. Точно в таком же направлении была в 1940-х годах написана работа еще одного выдающегося ученого Альфреда Хойла, который работал независимо от других знаменитых исследователей.

Эйнштейн скептически относился к одному факту, имевшему быть в теории Большого взрыва, а именно к сингулярности материи, в которой она пребывала до взрыва. Он попытался высказать свое собственное суждение, относящееся к бесконечному расширению космического пространства. Согласно его убеждениям, материя во Вселенной возникла и вовсе неоткуда, она нужна была для поддержания космической плотности в условиях постоянного расширения. Согласно мнению Эйнштейна, данный процесс можно описать, используя теорию относительности, однако позднее ученый осознал, что совершил в своих расчетах ошибку и отказался от своего открытия.

Подобной этой теории придерживался всемирно известный писатель-фантаст Эдгар Аллан По, который размышлял над происхождением Вселенной в далеком 1848 году. Физиком этот человек не был, следовательно, все его размышления никакой научной ценности не несли вследствие того, что не были закреплены никакими вычислениями. К тому же в те далекие времена не были изобретены необходимые математические аппараты, позволяющие рассчитывать исследования такого рода. По мог воплотить свою идею только лишь в литературном произведении, что он и сделал с большим успехом, написав поэму «Эврика», в которой уже рассказывается о таком явлении, как черная дыра, и доступно объясняется парадокс Олберса. Сам фантаст называл свое литературное творение откровением, о котором прежде человечество даже и не слышало.
Парадокс Олберса являет собой косвенное подтверждение теории Большого взрыва, он заключается в следующем: если в ночное время суток поднять голову и увидеть какую-нибудь звезду (акцентируя на ней свое пристальное внимание), то мысленно прочерченная линия, имеющая начало на земле на этой самой звезде и закончится. По в своей «Эврике» написал о первобытной частице, которая по его словам являлась совершенно уникальной и индивидуальной. Его литературный труд был подвергнут жестокой критике, поэма оказалась разнесенной буквально в пух и прах, она оказалась неудачной работой с художественной точки зрения. Современные ученые же, наоборот, повергнуты в смятение, они не могут до сих пор понять, как человек, не имеющий научного образования, мог прогнозировать такие факты. По их словам Эдгар Аллан По своей книгой намного опередил официальные научные познания.Открытия физиков и астрономов 20-х – 30-х годов прошлого столетия взбудоражили научный мир, так как большинство ученых придерживались той точки зрения, что Вселенная находится в стационарном положении.

Уже после окончания Второй Мировой войны в обществе ученых вновь стали говорить о теории Большого взрыва и размышлять над ее концептуальностью. Именно этот вариант происхождения Вселенный с каждым годом набирал обороты популярности, отставляя позади другие вариации, которые время от времени предлагались неутомимыми исследователями космоса и объектов ему принадлежащих.

Время шло, а теория Большого взрыва все прочнее занимала свою нишу на научном Олимпе, стационарность же Вселенной стала и вовсе ставиться под сомнение. В 1965-м году было обнаружено реликтовое излучение: открытие подобного рода, ставшее фундаментальным, окончательно укрепило Большой взрыв, и связанное с ним рождение Вселенной в науке. С 60-х по 90-е годы XX века огромное количество космологов и астрономов проводили целые серии исследовательских работ, касающихся знаменитой теории, вследствие чего ими было обнаружено множество проблем теоретического характера и соответственно их решений, которые относились к предмету возникновения огромной Вселенной из одной точки.
О том, что сингулярность – есть неоспоримое начальное состояние общей относительности, а также космологического состояния самого взрыва, высказался всемирно известный физик, имя которого на сегодняшний день знает каждый человек, Стивен Хокинг.1981 год ознаменовался появлением теории, описывающей период стремительного расширения космического пространства: она в свою очередь позволила решить огромное количество проблемных вопросов, на которые ранее никто не мог дать конкретного ответа.

К концу XX века у многих ученых появился неподдельный интерес, сопровождающийся любопытством, к такому объекту исследования, как темная энергия. Она была рассмотрена в качестве ключа, позволяющего раскрыть важность многих космологических проблем. Ученых интересовало, по какой причине происходит потеря веса Вселенной, а также, почему теряет свою массу и темная энергия. Гипотеза такого рода была создана давно ученым Яном Оортом, еще в 1932 году.

В последнее десятилетие прошлого столетия интенсивно создавались телескопы, усовершенствованные и позволяющие проводить четкое обследование космического пространства. Спутники, напичканные компьютерным оборудованием, позволяют современным ученым исследовать буквально каждый миллиметр Вселенной, и передавать через спутниковую систему данные прямиком в исследовательские центры различных государств.

Откуда взялось название

Автором названия для теории Большого взрыва явился ее противник Альфред Хойл, английский физик. Именно он придумал фразу «Big Bang», но сделал это физик не чтобы возвысить суждение Леметра, а чтобы наоборот его унизить, объявив абсурдом, а не величайшим феноменом в области космологии, физики и астрономии.

Хронология событий

Современные исследователи, имеющие достоверные сведения о состоянии положения дел во Вселенной, сводятся к единому мнению, согласно которому все создалось из точки. Постоянно увеличивающиеся бесконечная плотность и конечное время, непременно должны были иметь свое собственное начало в определенной точке. Когда произошло первоначальное расширение, согласно уже вышеупомянутой теории, Вселенная смогла пройти фазу охлаждения, ставшую соавтором создания субатомных частиц, а немного позднее и самых простых атомов. Спустя некоторое время, огромных размеров облака, состоящие из первоначальных древних элементов, благодаря исключительно лишь гравитации, стали формировать звезды, которые теперь каждой ночью может лицезреть абсолютно любой человек, и галактики, где, по мнению уфологов, могут находиться параллельные миры и сосредотачиваться высокоразвитые цивилизации инопланетных существ. Весь этот механизм, по предположению исследователей, запустился как раз 13,8 миллиардов лет назад: следовательно, данную отправную точку можно указывать в качестве возраста Вселенной. В ходе исследования огромного количества теоретической информации, проведения многочисленных экспериментов, которые базировались на привлечении ускорителей частиц и всевозможных высокоэнергетических состояний, обследования при помощи телескопа дальних потаенных углов космического пространства, была установлена хронологическая событийность, начавшаяся с момента Большого взрыва и приведшая Вселенную к современному виду, или как его иначе называют физики и астрономы - к «состоянию космической эволюции».

Среди ученых бытует мнение о том, что первоначальные периоды формирования космического пространства могли длиться от 10-43 до 10-11 секунды от взрыва; однако на этот счет однозначного мнения на сегодняшний день не существует. Стоит иметь в виду, что все известные современному обществу физические законы в далеком прошлом просто-напросто еще не существовали в полном наборе, который известен человечеству, следовательно, сам процесс формирования молодой Вселенной остается непонятным. Эту таинственность подкрепляет и тот факт, что до настоящего времени, включая также и его, ни в одном развитом государстве не был проведен ни один эксперимент, относящийся к исследованию тех видов энергии, которые существовали в момент создания безграничного космического пространства. В одном только сходятся мнения ученых мужей: некогда существовала точка, ставшая опорной, вот с нее-то и все началось.

Эпохальный период становления

1. Эпоха сингулярности (планковская). Ее принято считать первичной, в качестве раннего эволюционного периода Вселенной. Материя была сосредоточена в одной точке, имеющей свою температуру и бесконечную плотность. Ученые утверждают, что эта эпоха характерна для доминирования квантовых эффектов, принадлежащих гравитационному взаимодействию над физическими, причем ни одна физическая сила из всех существовавших в те далекие времена по своей силе не была идентична гравитации, то есть не была ей равна. Время продолжительности планковской эры сосредотачивается в интервале от 0 до 10-43 секунды. Она получила такое название по причине того, что полноценно измерить ее протяженность смогло лишь планковское время. Этот временной интервал считается очень нестабильным, что в свою очередь тесным образом связано с экстремальной температурой и безграничной плотностью материи. Следом за эпохой сингулярности произошел период расширения, а вместе с ним и охлаждения, приведшие к формированию основных физических сил.

С периода с 10-43 до 10-3 секунды в безграничном пространстве происходит новое событие в виде столкновения переходных температур, это, в свою очередь, отображается на их состоянии. Бытует мнение, что фундаментальные силы, ныне главенствующие в современной космическом безграничном пространстве, в данный момент начали стремительно удаляться друг от друга. Следствием этого процесса стало формирование слабых гравитационных сил, такого состояния, как электромагнетизм, а вместе с тем слабых, наряду с сильными, ядерных взаимодействий.

С 10-36 до 10-32 секунды от Большого взрыва во Вселенной устанавливается очень низкая температура, равная 1028К, этот факт в свою очередь становится причиной разделения электромагнитных сил, что происходит в процессе сильного взаимодействия со слабым (ядерным).
2. Эпоха инфляции. С появлением на безграничных просторах Вселенной первых сил, названных учеными не иначе, как фундаментальными, начинается новая эпоха, длившаяся с 10-32 секунды (согласно планковскому времени) до абсолютно никому неизвестному времени.Огромное количество космологических моделей устанавливают, что в данный временной интервал Вселенная могла пребывать в состоянии бариогенезиса – очень высокая температура влияет на хаотичное движение частиц в пространственной среде, происходящее с запредельной скоростью.

Это время характерно для столкновения и отталкивания античастиц – разрушающихся пар частиц. Исследователи склонны считать, что именно тогда произошло доминирование материи над ее антиподом, антиматерией, что является на сегодняшний день характерной особенностью Вселенной, имеется в виду доминант. К моменту завершения эпохи инфляции Вселенная сформировалась на основе кварк-глюоновой плазмы и прочих элементарных частиц. Она стала постепенно остывать, а материя в свою очередь начала активное образование и соединение.
3. Эпоха охлаждения. С момента понижения уровня плотности и температуры в самой Вселенной стали происходить существенные изменения каждой частицы – у них стала снижаться энергия. Состояние подобного рода закончилось лишь тогда, когда к своему современному виду пришли элементарные частицы, а вместе с ними и фундаментальные силы. Энергия частиц стала опускаться до тех параметров, которые на сегодняшний день удается получить исключительно лишь в рамках лабораторных условий, в ходе проведения многочисленных опытов и наряду с ними экспериментов.Ученые ни на секунду не сомневаются, что данный временной интервал существовал в истории формирования Вселенной. Они отмечают, что сразу же после Большого взрыва энергия частиц постепенно уменьшилась, в результате чего она приобрела значительные размеры. На 10-6 секунде барионы в виде протонов и нейтронов стали образовываться из глюонов и кварков. Вместе с этим появился диссонанс в форме преобладания кварков над антикварками, барионов над антибарионами. Вследствие понижения температуры началось прекращение выработки протонно-нейтронных пар и соответственно, их антиподов, протоны и нейтроны стали стремительно исчезать, а их античастицы и вовсе прекратили свое существование. Подобный процесс вновь произошел спустя некоторое время. Однако на этот раз действие коснулось позитронов и электронов.

Вследствие стремительного уничтожения частицы прекратили свое хаотичное движение, а энергетическую плотность, относящуюся к Вселенной, стали интенсивно заполнять фотоны.

С момента расширения безграничного пространства формируется процесс запуска нуклеосинтеза. Благодаря низкой температуре и понижению плотности энергии нейтрон и протон своим симбиозом создали первый в мире дейтерий (изотоп водорода), также они приняли непосредственное участие в формировании атомов гелия. Огромное количество протонов в свою очередь стали базой для создания ядра водорода.

Через 379 000 лет ядра водорода соединятся с электронами, вследствие чего появятся уже атомы все того же водорода. В данный момент времени происходит отделение радиации от материи, она отныне самостоятельно заполняет все вселенское пространство. Эта радиация получила название реликтового излучения, ее принято считать самым древнейшим источником света из всех существующих.
4. Эпоха структуры. В течение последующего временного интервала, насчитывающего пару миллиардов лет, материя уже смогла распространиться по всей Вселенной, а ее наиболее плотные регионы стали активней притягиваться друг к другу, становясь плотнее. Вследствие такого действия начали возникать облака, состоящие из газа, галактики, звезды и прочие космические объекты, которые можно увидеть и сегодня. Данный период известен еще под одним названием, его принято именовать «Иерархической эпохой».Этот временной период связан с тем, что Вселенная удалось обрести определенную форму. Материя начала образовываться в разнообразные структуры, имеющие разнообразные размеры:
- звезды,
- галактики,
- планеты,
- галактические скопления и сверхскопления, разделенные между собой при помощи межгалактических перемычек и включающие в себя несколько галактик.

Прогнозы на будущее

Вследствие того, что Вселенная имеет собственную точку начала, у ученых периодически создаются гипотезы относительно того, что когда-нибудь появится и та точка, которая прекратит ее существование. Также физиков и астрономов интересует вопрос, касающийся расширения Вселенной всего из одной точки, они даже строят прогнозы на предмет того, что она может расширяться еще больше. Или же и вовсе однажды может произойти обратный процесс, в безграничном пространстве по неизвестным причинам может прекратить действовать экспансивная сила, вследствие чего может произойти обратный процесс, заключающийся в сжатии.В 1990-х годах в качестве основной модели развития Вселенной была принята теория Большого взрыва, именно тогда же примерно и были разработаны два основных пути дальнейшего существования космического безграничного пространства.

1. Большое сжатие. В один момент Вселенная может достигнуть максимального пика в виде огромного размера, а потом начнется ее разрушение. Подобный вариант развития станет возможным только в том случае, когда плотность массы Вселенной будет больше, чем ее критическая плотность.

2. В данном случае будет происходить иная картина действий: плотность приравняется или даже станет ниже критический. Итог – замедление расширения, которое никогда не остановится. Этот вариант был назван тепловой смертью Вселенной. Расширение будет длиться до тех времен, пока звездообразованиями не перестанет активно потребляться газ, находящийся внутри близлежащих галактик. В таком случае произойдет следующее: от энергии и материи просто-напросто прекратится передача от одного космического объекта к другому. Всех звезд, которые невооруженным взглядом можно лицезреть каждые вечер и ночь на небосводе, постигнет одна и та же печальная участь: они станут не чем иным, как белым карликом, черной дырой либо же нейтронной звездой.
Черные дыры всегда представляли неприятность не только для космологов. Новообразованные дыры будут соединяться с собой, образовывая себе подобные же объекты гораздо большего размера. Между тем показатель средней температуры в безграничном пространстве может достичь отметки в 0. Следствием данной ситуации станет абсолютное испарение черных дыр, которые напоследок начнут выдавать в окружающую среду излучение Хокигнга. Завершающим этапом в данном случае будет тепловая смерть.Современные ученые проводят огромное количество исследований, касающихся не только существования темной энергии, но и ее непосредственного влияния на расширение космического пространства. В ходе проведения своих исследований они в свою очередь установили, что расширение Вселенной происходит настолько быстрыми темпами, что скоро человечество даже не будет и знать, насколько безграничным на самом деле является безграничное пространство. Конечно же, по какому именно дальнейшему пути развития может пойти планета, умы ученых мужей даже и представить себе не могут. Они лишь прогнозируют результат, обосновывая свой выбор теми или иными критериями. Однако, многие из светил предрекают безграничному пространству такой конец, как тепловая смерть, считая его наиболее вероятным.

Также в научной среде бытует мнение, что все планеты, ядра атомов, атомы, материя и звезды будут в далеком будущем сами собой разрываться, что приведет к большому разрыву. Это еще один вариант гибели Вселенной, однако, он формируется на расширении.

Другие варианты

Конечно же, теория Большого Взрыва единственной не является, о чем было не раз указано выше. Человечество на протяжении всего своего существования имело право на свою версию возникновения Вселенной.

1. В очень глубокой древности люди задумывались о том, в каком мире они живут и существуют. Еще не установилась религиозное мировоззрение, а человек уже задумывался над тем, как устроен мир, какое именно место он сам занимает в окружающем его пространстве.
Древние развитые народы связывали свою жизнь тесным образом с религиозными догмами. Кто, как не божество могло создать дерево, человека, огонь? А огда ему это все под силу, следовательно, весь мир тоже создан каким-нибудь богом.
Если сделать обзор жизни одной из самых древних цивилизации, проживающей некогда на территории Междуречья (современные земли Ирака, Ирана, Сирии, Турции), то можно на примере антагонистов добра и зла – Ахурамазды и Ахримана увидеть, что именно эти боги, согласно древним письменным источникам, являются непосредственными творцами Вселенной. Каждый древний народ связывал образование космического пространства с деятельностью какого-нибудь божества (чаще всего верховного).Великие мыслители древности пытались понять происхождение Вселенной, они понимали, что боги не имеют к ней абсолютно никакого отношения. Космологией занимался Аристотель, который пытался доказать, что Вселенная имеет собственную эволюцию. На Востоке всем известно имя врача Авиценны, но не только медицина довлела над его пытливым разумом. Авиценна был одним из первых исследователей, который попытался при помощи разума и собственной логики опровергнуть божественное образование Вселенной.
2. Время неумолимо движется вперед, а вместе с ним происходит стремительное развитие человеческой мысли. Исследователи Средневековья (те люди, которые прятались от Святой Инквизиции) и Нового времени, идя наперекор авторитарной религиозной власти, доказали не только, что из себя представляет планета Земля, но и заложили методики астрологического исследования, а немного позже и астрофизиеского.Над вопросами космогонии ломали свои светлые головы многие философы, среди которых следует выделить француза Рене Декарта. Декарт предпринял попытку при помощи теории разобраться в происхождении небесных тел, объединив при этом все математические, физические и биологические знания, которыми обладал этот талантливый человек. Успехов он на своем поприще не добился.
3. Вплоть до начала XX века люди считали, что Вселенная четких границ в ни пространстве, ни во времени не имеет, да к тому же в добавок к этому является статичной и однородной.О том, что космическое пространство безгранично посмел высказаться Исаак Ньютон. Немецкий философ Эммануил Кант прислушался к его доводам и на основе ньютоновских рассуждений выдвинул собственную теорию, о том, что Вселенная не имеет своего времени и совсем не имеет начала. Все процессы, имевшие место быть во Вселенной, он относил к законам механики.

Свою теорию Кант развивал, подкрепив знаниями из биологии. Ученый говорил о том, что в просторах Вселенной может существовать огромное количество возможностей, которые дают жизнь биологическому продукту. Подобным утверждением позднее заинтересуется не менее знаменитый ученый – Чарльз Дарвин.

Кант создал свою теорию, опираясь на опыт исследователей-астрономов, являющихся практически его современниками. Она считалась единственной верной и непоколебимой вплоть до того момента, покуда не возникла теория Большого взрыва.

4. Автор знаменитой теории относительности Альберт Эйнштейн тоже не остался в стороне от проблематики сотворения Вселенной. В 1917 году он представил обществу свой проект.Эйнштейн также думал, что Вселенная стационарна, он стремился доказать, что космическое безграничное пространство не должно ни сжиматься, ни расширяться. Однако его собственные мысли шли наперекор его главному труду (теории относительности), согласно которому Вселенная одновременно у Эйнштейна и расширялась, и сжималась.

Ученый поспешил установить, что Вселенная является статической, это он обосновал тем, что космическая сила отталкивания влияет на уравновешивание притяжения звезд и тем самым прекращает движение небесных тел в пространстве.

У Эйнштейна Вселенная обладала конечными размерами, однако четких границ он вместе с этим не устанавливал: это становится возможным лишь в случае искривления пространства.
5. Отдельной теорией сотворения Вселенной стоит Креационизм. Она в свою очередь основана на том, что человечество и Вселенная основаны творцом. Конечно же, речь идет о христианской догматике.Теория эта возникла в XIX веке, ее сторонники утверждали, что создание космического пространства записано в Ветхом Завете. В это время в единое научное течение складывались знания из области биологии, физики, астрономии. Теория эволюции Дарвина занимала весомое место в жизни общества. Вследствие этого наука пошла против религии: знания против божественной концепции сотворения мира. Креационизм стал своеобразным протестом против новшества. Консервативные христиане выступали против научных открытий.
Креационизм был известен публике в виде двух направлений:

Младоземельный (буквалистский). Бог трудился над созданием мира ровно 6 дней, как это указано в Библии. Они утверждают, что мир был создан около 6 000 лет назад.

Староземельный (метафорический). Описанные в Библии 6 дней – есть не что иначе, как метафора, которая была понятна исключительно лишь людям, жившим в глубокой древности. На самом деле такое христианское понятие, как «день» может не включать в себя установленные 24 часа, оно сосредоточено в неопределенном отрезке времени (то есть не имеющим фиксированных четких границ), который в свою очередь может исчисляться миллионами лет.

Староземельный креационизм принимает некоторые научные идеи и открытия, его последователи соглашаются с астрофизическим возрастом небесных тел, но существование теории эволюции вместе с естественным отбором они напрочь отрицают, утверждая, что только лишь Бог может оказывать влияние на появление и исчезновение биологических видов.

Итог

История создания Вселенной на протяжении всего человеческого существования не раз претерпевала изменения, которые диктовались религиозными верованиями или научными исследованиями.На сегодняшний день существует одна версия, удовлетворяющая ученые умы. Теория Большого взрыва является наиболее удачным вариантом, точно описывающим, как именно происходило рождение безграничного пространства, какие эпохи оно проживало. На ее основе ученые прогнозируют дальнейшее развитие Вселенной.

Однако, как показывает предыдущий опыт, не всегда теория, даже если она и весьма популярна в человеческом обществе, верна. Наука на одном месте не стоит, она постоянно прогрессирует, находя все новые и новые источники пополнения знаний.

Не исключено, что однажды в научной среде появится очередной физик, космолог или астроном, который представит свою собственную теорию сотворения Вселенной, которая, быть может, окажется вернее, чем теория Большого взрыва.

Одним из основных вопросов, которые не выходят из сознания человека, всегда был и является вопрос: «как появилась Вселенная?». Конечно же, однозначного ответа на данный вопрос нет, и вряд ли будет получен в скором времени, однако наука работает в этом направлении и формирует некую теоретическую модель зарождения нашей Вселенной. Прежде всего следует рассмотреть основные свойства Вселенной, которые должна описываться в рамках космологической модели.

• Модель должна учитывать наблюдаемые расстояния между объектами, а также скорость и направление их движения. Подобные расчеты основываются на законе Хаббла: cz = H0D, где z – красное смещение объекта, D – расстояния до этого объекта, c – скорость света.
• Возраст Вселенной в модели должен превышать возраст самых старых в мире объектов.
• Модель должна учитывать первоначальное обилие элементов.
• Модель должна учитывать наблюдаемую крупномасштабную структуру Вселенной.
• Модель должна учитывать наблюдаемый реликтовый фон.

Краткая история Вселенной. Сингулярность в представлении художника (фото)

Рассмотрим кратко общепризнанную теорию возникновения и ранней эволюции Вселенной, которая поддерживается большинством ученых. Сегодня под теорией Большого взрыва подразумевают комбинацию модели горячей Вселенной с Большим взрывом. И, хотя данные концепции сперва существовали независимо друг от друга, в результате их объединение удалось объяснить первоначальный химический состав Вселенной, а также наличие реликтового излучения.

Согласно данной теории, Вселенная возникла около 13,77 млрд лет назад из некоторого плотного разогретого объекта - сингулярное состояние, плохо поддающееся описанию в рамках современной физики. Проблема космологической сингулярности, помимо всего прочего, в том, что при ее описании большинство физических величин, вроде плотности и температуры, стремятся к бесконечности. При этом, известно, что при бесконечной плотности энтропия (мера хаоса) должна устремляться к нулю, что никак не совмещается с бесконечной температурой.

• Первые 10 в -43 секунды после Большого Взрыва называют этапом квантового хаоса. Природа мироздания на этом этапе существования не поддается описанию в рамках известной нам физики. Происходит распад непрерывного единого пространства-времени на кванты.

• Планковский момент – момент окончания квантового хаоса, который выпадает на 10 в -43 секунду. В этот момент параметры Вселенной равнялись планковским величинам, вроде планковской температуры (около 1032 К). В момент планковской эпохи все четыре фундаментальные взаимодействия (слабое, сильное, электромагнитное и гравитационное) являлись объединенными в некое одно взаимодействие. Рассматривать планковский момент как некоторый продолжительный период – не представляется возможным, так как с параметрами меньше планковских современная физика не работает.
• Стадия инфляции. Следующей стадией истории Вселенной стала инфляционная стадия. В первый момент инфляции от единого суперсимметричного поля (ранее включающего поля фундаментальных взаимодействий) отделилось гравитационное взаимодействие. В этот период вещество обладает отрицательным давлением, что вызывает экспоненциальный рост кинетической энергии Вселенной. Проще говоря, в данный период Вселенная стала очень быстро раздуваться, а ближе к концу энергия физических полей переходит в энергию обычных частиц. В конце данной стадии значительно повышается температура вещества и излучения. Вместе с окончанием стадии инфляции выделяется и сильное взаимодействие. Также в этот момент возникает барионная асимметрия Вселенной.

[Барионная асимметрия Вселенной – наблюдаемое явление преобладания вещества над антивеществом во Вселенной]

• Стадия радиационного доминирования. Следующая стадия развития Вселенной, которая включает несколько этапов. На этой стадии температура Вселенной начинает понижаться, образуются кварки, затем адроны и лептоны. В эпоху нуклеосинтеза происходит образование начальных химических элементов, синтезируется гелий. Однако, излучение все еще преобладает над веществом.
• Эпоха доминирования вещества. Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделения. Вещество начинает доминировать над излучением, возникает реликтовый фон. Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего начали образовываться галактики и сверхгалактики. Законны Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.

Вышеописанная картина сложена из нескольких основополагающих теорий и дает общие представление о формировании Вселенной на ранних этапах ее существования.

Откуда появилась Вселенная?

Если Вселенная возникла из космологической сингулярности, то откуда взялась сама сингулярность? На данный вопрос дать точный ответ, пока, невозможно. Рассмотрим некоторые космологические модели, затрагивающие «рождение Вселенной».

Циклические модели. Моделирование бран (фото)

Данные модели строятся на утверждении, что Вселенная существовала всегда и со временем лишь меняется ее состояние, переходя от расширения к сжатию – и обратно.

• Модель Стейнхардта-Турока. Данная модель строится на теории струн (М-теории), так как использует такой объект как «брана».

[Бра́на (от мембрана) в теории струн (М-теории) - гипотетический фундаментальный многомерный физический объект размерности, меньшей, чем размерность пространства, в котором он находится]

Согласно этой модели видимая Вселенная располагается внутри три-брана, которая периодически, раз в несколько триллионов лет, сталкивается с другой три-браной, что вызывает подобие Большого Взрыва. Далее наша три-брана начинает отдаляться от другой и расширяться. В какой-то момент доля темной энергии получает первенство и скорость расширения три-браны растет. Колоссальное расширение рассеивает вещество и излучение настолько, что мир становится почти однородным и пустым. В конце концов происходит повторное столкновение три-бран, в результате чего наша возвращается к начальной фазе своего цикла, вновь зарождая нашу «Вселенную».

• Теория Лориса Баума и Пола Фрэмптона также гласит о цикличности Вселенной. Согласно их теории последняя после Большого Взрыва будет расширяться за счет темной энергии до тех пор, пока не приблизится к моменту «распада» самого пространства-времени – Большой Разрыв. Как известно, в «замкнутой системе энтропия не убывает» (второе начало термодинамики). Из этого утверждения следует, что Вселенная не может вернуться к исходному состоянию, так как во время такого процесса энтропия должна убывать. Однако эта проблема решается рамках данной теории. Согласно теории Баума и Фрэмптона за миг до Большого Разрыва Вселенная распадается на множество «лоскутов», каждый из которых обладает довольно малым значением энтропии. Испытывая ряд фазовых переходов, данные «лоскуты» бывшей Вселенной порождают материю и развиваются аналогично первоначальной Вселенной. Эти новые миры не взаимодействуют друг с другом, так как разлетаются со скоростью больше скорости света. Таким образом, ученые избежали и космологической сингулярности, с которой начинается рождение Вселенной согласно большинству космологических теорий. То есть в момент конца своего цикла Вселенная распадается на множество других невзаимодействующих миров, которые станут новыми вселенными.
• Конформная циклическая космология – циклическая модель Роджера Пенроуза и Ваагна Гурзадяна. Согласно данной модели Вселенная способна перейти в новый цикл, не нарушая второе начало термодинамики. Данная теория опирается на предположение, что черные дыры уничтожают поглощенную информацию, что неким образом «законно» понижает энтропию Вселенной. Тогда каждый такой цикл существования Вселенной начинается с подобия Большого Взрыва и заканчивается сингулярностью.

Другие модели возникновения Вселенной

Среди других гипотез, объясняющих появление видимой Вселенной наиболее популярны две следующие:

• Хаотическая теория инфляции - теория Андрея Линде. Согласно данной теории существует некоторое скалярное поле, которое неоднородно во всем своем объеме. То есть в различных областях вселенной скалярное поле имеет разное значение. Тогда в областях, где поле слабое – ничего не происходит, в то время как области с сильных полем начинают расширяться (инфляция) за счет его энергии, образуя при этом новые вселенные. Такой сценарий подразумевает существование множества миров, возникших не одновременно и имеющих свой набор элементарных частиц, а, следовательно, и законов природы.
• Теория Ли Смолина – предполагает, что Большой Взрыв не является началом существования Вселенной, а – лишь фазовым переходом между двумя ее состояниями. Так как до Большого Взрыва Вселенная существовала в форме космологической сингулярности, близкой по своей природе к сингулярности черной дыры, Смолин предполагает, что Вселенная могла возникнуть из черной дыры.

Так же существуют модели, в которых вселенные возникают непрерывно, отпочковываются от своих родительниц и находят свое собственное место. При этом вовсе не обязательно, что в таких мирах устанавливаются одни и те же физические законы. Все эти миры «вложены» в единый пространственно-временной континуум, но разнесены в нем настолько, что никак не ощущают присутствия друг друга. В общем, концепция инфляции позволяет - более того, вынуждает!– считать, что в исполинском мегакосмосе существует множество изолированных друг от друга вселенных с различным устройством.

Несмотря на то, что циклические и другие модели отвечают на ряд вопросов, ответы на которые не может дать теория Большого Взрыва, в том числе проблема космологической сингулярности. Все же в комплекте с инфляционной теорией Большой Взрыв более цельно объясняет возникновение Вселенной, а также сходится с множеством наблюдений.

Сегодня исследователи продолжают интенсивно изучать возможные сценарии зарождения Вселенной, однако, дать неопровержимый ответ на вопрос «Как появилась Вселенная?» - вряд ли удастся в ближайшем будущем. На это есть две причины: прямое доказательство космологических теорий практически невозможно, лишь косвенное; даже теоретически нет возможности получить точную информацию о мире до момента Большого Взрыва. По этим двум причинам ученым остается лишь выдвигать гипотезы и строить космологические модели, которые максимально верно будут описывать природу наблюдаемой нами Вселенной.

Вопрос о возникновении всего сущего человек ставил с древнейших времён. Это казалось вполне логичным: человек постоянно видел, как всё на свете зарождается, проходит период становления, достигает расцвета и в конце концов – умирает… не должен ли подчиняться этому закону мир в целом?

Древний человек, человек Средневековья не сомневался, что Вселенная имела начало: была сотворена Богом (или богами), возникла из первобытного хаоса или даже из мирового яйца, снесённого божественной птицей… Научное мировоззрение Нового времени отвергло саму идею начала Вселенной: она бесконечна во времени так же, как и в пространстве – следовательно, не может иметь и начала во времени… проще говоря, Вселенная была всегда! Человеку трудно представить такое – но в современной физике вообще много такого, что выходит за рамки обыденного сознания…

И кто бы мог подумать, что в XX веке идея начала Вселенной вернётся! Да, она вернулась – разумеется, в виде строгой научной теории – но так или иначе, наука сказала: да, Вселенная имеет начало! А уж приложил ли к её возникновению руку Творец или нет – это по-прежнему личное дело каждого – верить или не верить, это уже за рамками науки.

Первый шаг к такому представлению был сделан в 1929 г., когда американский астроном Э.Хаббл обнаружил: галактики двигаются и удаляются от нас на огромной скорости, причём чем дальше они – тем быстрее удаляются… Вселенная не статична, как считалось ранее – она расширяется! Теоретически из этого следовало, что была некая точка, из которой это расширение началось…

Вот так и родилась гипотеза Большого взрыва. Впервые этот термин употребил английский астроном (проявивший себя ещё и как писатель –фантаст) Ф.Хойл (примечательно, что этот учёный, давший имя гипотезе Большого взрыва, сам её не поддерживал, считая «неудовлетворительной). В самом общем виде она сводится к следующему: в прошлом существовал некий конечный момент времени, когда размеры Вселенной равнялись нулю, а плотность и температура были бесконечными (это состояние называется космологической сингулярностью), и из этой точки пространство-время начинает расширяться.

Скорость расширения Вселенной позволила учёным вычислить, когда это историческое событие произошло: 13 миллиардов 700 миллионов лет назад. Это был момент, когда Ничто превратилось в Нечто; и бессмысленно спрашивать, где произошёл Большой взрыв – он произошёл везде, эта точка была всей Вселенной!

Итак, перенесёмся на 13 миллиардов 700 миллионов лет назад, когда существовала бесконечно плотная, бесконечно горячая и невообразимо маленькая (меньше атома) частица чистой энергии – даже не вещество ещё. Самая ранняя эпоха, о которой можно строить какие-то теоретические положения, называется планковской эпохой (по имени немецкого физика М.Планка) – в это время плотность её составляла 10 в 97й степени кг на кубический метр, а температура – десять в 32й степени К. Как долго длилась эта эпоха? 10 в минус 43й степени секунд (такой отрезок времени называется планковским временем) – чтобы представить себе это, придётся раз за разом делить секунду на миллионы (а чтобы представить, во сколько раз за это время расширилась Вселенная, придётся так же последовательно умножать миллионы)… По окончании планковской эпохи возникают все силы, управляющие Вселенной, и первая из них – гравитация, которая поистине решила всё. В наше время учёные создают компьютерные модели гипотетических Вселенных с разной гравитацией, и выясняется, что будь гравитация чуть меньше, чем есть – ничто не смогло бы сформироваться (ни звёзды, ни галактики, ни всё остальное), была бы чуть больше – не получилось бы ничего кроме чёрных дыр… так может быть, нашу гравитацию Кто-то рассчитал? Или счастливая случайность в бесконечной череде неудачных (а может быть, и удачных) Больших взрывов? Этого мы не знаем…

Так или иначе, Вселенная расширилась от размеров меньше атома до размера примерно мячика для гольфа (это как если бы тот же мяч расширился до размеров Земли) – вы могли бы держать её на ладони. Ещё за долю секунды она расширяется до размеров Земли, ещё за долю – до размеров Солнечной системы… На что похожа Вселенная в это время? Она всё ещё представляет собой бушующую массу энергии (более плотную, чем всё, что известно нам сейчас) – даже «бурлящие котлы» звёзд не идут ни в какое сравнение с этим состоянием, температура исчисляется триллионами градусов (так что не советую отправляться туда на машине времени: сделать достаточно надёжный скафандр вам не удастся – при такой температуре будут разрушаться любые атомы… собственно, их тогда и не было).

Но расширяясь, Вселенная остывала – и снижение температуры привело к возникновению субатомных частиц: энергия перешла в вещество – первое вещество во Вселенной! Оно было ещё нестабильным – частицы появлялись и исчезали, двигаясь беспорядочно с огромной скоростью (неужели древние знали это, говоря о возникновении Вселенной из хаоса?). Но по мере снижения температуры они двигались медленнее, более упорядоченно и переставали переходить обратно в энергию – вещества становилось больше (напомним, что на этом этапе счёт времени всё ещё идёт на доли секунды). И вот тут на сцене появляется ещё одно «действующее лицо» – антивещество.

Антивещество родилось вместе с веществом – и не отличается от него ничем, кроме заряда (у антивещества он противоположный). Сегодня физики его создают в лабораториях, и ничего страшного в нём, в общем-то, нет – пока оно не вступит в контакт с веществом. Если бы вы встретились со своим двойником, состоящим из антивещества, вы бы убедились, что он ничем не отличается от вас, и ничего страшного не произошло бы, пока вы бы не вздумали пожать друг другу руки – тогда последовал бы чудовищный взрыв… нечто подобное произошло бы и со Вселенной, будь в ней количество вещества и антивещества равным – они бы уничтожили друг друга, превратившись в излучение, вещества не было бы вообще! Но случилось (или было задумано?) так, что на каждый миллиард частиц антивещества приходилась миллиард и одна частица вещества – и эти «остатки» избежали аннигиляции.

И вот теперь, когда вещество победило в космической битве с антивеществом – почти через секунду после Большого взрыва – пришло «время собирать камни»… т.е. собирать частицы. Температура вселенной снизилась настолько, что частицы могут объединяться – и так возникают атомы, и первыми были атомы водорода (не об этом ли времени говорит Библия: «и земля была безвидна и пуста, и дух Божий носился над водою»?). В последующие три минуты возникают ещё два элемента – гелий и литий. Размер Вселенной уже исчисляется световыми годами. А время… на то, чтобы замедлились электроны, чтобы они смогли присоединиться к новым атомам 380 тысяч лет… и послание из тех времён дошло до нас!

В 1965 г. Двое учёных в США (штат Нью-Джерси) – А.Пензиас и Р.Вильсон – отслеживали радиосигналы во Вселенной – но работе мешал непонятный фоновый шум… может, это из-за голубиного помёта на антенне? Антенну почистили – но ничего не изменилось… когда исследователи рассказали об этом в Принстонском университете, один из присутствующих ответил: «Вы обнаружили либо эффект голубиного помёта – либо создание Вселенной!» Открытое А.Пензиасом и Р.Вильсоном явление было названо реликтовым излучением – оно родилось, правда, не в самый момент большого взрыва, но в момент, когда первые электроны присоединились к атомам.

Теперь Вселенная перестала быть однородной: где-то температура была более высокой, где-то более низкой, где-то вещества было меньше – где-то больше. Там, где вещества больше, со временем возникнут звёзды и галактики, а где меньше – будет пустое пространство…

Итак, Вселенной 380 тысяч лет, в ней перемещаются облака водорода и гелия. Через 200 миллионов лет из них образуются первые звёзды, а спустя миллиард лет после Большого взрыва возникнут первые галактики…

Впрочем, это уже другая история… Рождение Вселенной состоялось!

В определённом смысле можно сказать, что Большой взрыв продолжается и по сей день – Вселенная продолжает расширяться, и расширение это не замедляется, а наоборот – набирает скорость. Теоретически это должно привести к тому, что разлетятся не только галактики, но и атомы, не будет ничего – т.о. Больший взрыв, давший начало Вселенной, её же и убьёт… Но каким будет конец Вселенной – мы не знаем. Это может быть расширение до полного остывания и отсутствия света, это может быть смена расширения сжатием… Гибель нашей Вселенной может привести к новому Большому взрыву – который породит новую Вселенную. Возможно, наша Вселенная – лишь очередная в бесконечной череде рождающихся и умирающих Вселенных…

На эти и многие другие вопросы учёным ещё предстоит ответить.

Одним из основных вопросов, которые не выходят из сознания человека, всегда был и является вопрос: «как появилась Вселенная?». Конечно же, однозначного ответа на данный вопрос нет, и вряд ли будет получен в скором времени, однако наука работает в этом направлении и формирует некую теоретическую модель зарождения нашей Вселенной. Прежде всего следует рассмотреть основные свойства Вселенной, которые должна описываться в рамках космологической модели:

• Модель должна учитывать наблюдаемые расстояния между объектами, а также скорость и направление их движения. Подобные расчеты основываются на законе Хаббла: cz = H 0 D , где z – красное смещение объекта, D – расстояния до этого объекта, c – скорость света.
• Возраст Вселенной в модели должен превышать возраст самых старых в мире объектов.
• Модель должна учитывать первоначальное обилие элементов.
• Модель должна учитывать наблюдаемую .
• Модель должна учитывать наблюдаемый реликтовый фон.

Рассмотрим кратко общепризнанную теорию возникновения и ранней эволюции Вселенной, которая поддерживается большинством ученых. Сегодня под теорией Большого взрыва подразумевают комбинацию модели горячей Вселенной с Большим взрывом. И хотя данные концепции сперва существовали независимо друг от друга, в результате их объединение удалось объяснить первоначальный химический состав Вселенной, а также наличие реликтового излучения.

Согласно данной теории, Вселенная возникла около 13,77 млрд лет назад из некоторого плотного разогретого объекта — , плохо поддающееся описанию в рамках современной физики. Проблема космологической сингулярности, помимо всего прочего, в том, что при ее описании большинство физических величин, вроде плотности и температуры, стремятся к бесконечности. При этом, известно, что при бесконечной плотности (мера хаоса) должна устремляться к нулю, что никак не совмещается с бесконечной температурой.

• • Первые 10 -43 секунды после Большого Взрыва называют этапом квантового хаоса. Природа мироздания на этом этапе существования не поддается описанию в рамках известной нам физики. Происходит распад непрерывного единого пространства-времени на кванты.

• Планковский момент – момент окончания квантового хаоса, который выпадает на 10 -43 секунду. В этот момент параметры Вселенной равнялись , вроде планковской температуры (около 10 32 К). В момент планковской эпохи все четыре фундаментальные взаимодействия (слабое, сильное, электромагнитное и гравитационное) являлись объединенными в некое одно взаимодействие. Рассматривать планковский момент как некоторый продолжительный период – не представляется возможным, так как с параметрами меньше планковских современная физика не работает.
• Стадия . Следующей стадией истории Вселенной стала инфляционная стадия. В первый момент инфляции от единого суперсимметричного поля (ранее включающего поля фундаментальных взаимодействий) отделилось гравитационное взаимодействие. В этот период вещество обладает отрицательным давлением, что вызывает экспоненциальный рост кинетической энергии Вселенной. Проще говоря, в данный период Вселенная стала очень быстро раздуваться, а ближе концу энергия физических полей переходит в энергию обычных частиц. В конце данной стадии значительно повышается температура вещества и излучения. Вместе с окончанием стадии инфляции выделяется и сильное взаимодействие. Также в этот момент возникает .
• Стадия радиационного доминирования. Следующая стадия развития Вселенной, которая включает несколько этапов. На этой стадии температура Вселенной начинает понижаться, образуются кварки, затем адроны и лептоны. В эпоху нуклеосинтеза происходит образование начальных химических элементов, синтезируется гелий. Однако, излучение все еще преобладает над веществом.
• Эпоха доминирования вещества. Спустя 10 000 лет энергия вещества постепенно превосходит энергию излучения и происходит их разделения. Вещество начинает доминировать над излучением, возникает реликтовый фон. Также разделение вещества с излучением значительно усилило изначальные неоднородности в распределении вещества, в результате чего начали образовываться галактики и сверхгалактики. Законны Вселенной пришли к тому виду, в котором мы наблюдаем их сегодня.

Вышеописанная картина сложена из нескольких основополагающих теорий и дает общие представление о формировании Вселенной на ранних этапах ее существования.

Откуда появилась Вселенная?

Если Вселенная возникла из космологической сингулярности, то откуда взялась сама сингулярность? На данный вопрос дать точный ответ, пока, невозможно. Рассмотрим некоторые космологические модели, затрагивающие «рождение Вселенной».

Циклические модели

Данные модели строятся на утверждении, что Вселенная существовала всегда и со временем лишь меняется ее состояние, переходя от расширения к сжатию – и обратно.

• Модель Стейнхардта-Турока. Данная модель строится на теории струн (М-теории), так как использует такой объект как «брана». Согласно этой модели видимая Вселенная располагается внутри 3-бране, которая периодически, раз в несколько триллионов лет, сталкивается с другой 3-браной, что вызывает подобие Большого Взрыва. Далее наша 3-брана начинает отдаляться от другой и расширяться. В какой-то момент доля темной энергии получает первенство и скорость расширения 3-браны растет. Колоссальное расширение рассеивает вещество и излучение настолько, что мир становится почти однородным и пустым. В конце концов происходит повторное столкновение 3-бран, в результате чего наша возвращается к начальной фазе своего цикла, вновь зарождая нашу «Вселенную».

• Теория Лориса Баума и Пола Фрэмптона также гласит о цикличности Вселенной. Согласно их теории последняя после Большого Взрыва будет расширяться за счет темной энергии до тех пор, пока не приблизится к моменту «распада» самого пространства-времени – Большой Разрыв. Как известно, в «замкнутой системе энтропия не убывает» (второе начало термодинамики). Из этого утверждения следует, что Вселенная не может вернуться к исходному состоянию, так как во время такого процесса энтропия должна убывать. Однако эта проблема решается рамках данной теории. Согласно теории Баума и Фрэмптона за миг до Большого Разрыва Вселенная распадается на множество «лоскутов», каждый из которых обладает довольно малым значением энтропии. Испытывая ряд фазовых переходов, данные «лоскуты» бывшей Вселенной порождают материю и развиваются аналогично первоначальной Вселенной. Эти новые миры не взаимодействуют друг с другом, так как разлетаются со скоростью больше скорости света. Таким образом, ученые избежали и космологической сингулярности, с которой начинается рождение Вселенной согласно большинству космологических теорий. То есть в момент конца своего цикла Вселенная распадается на множество других невзаимодействующих миров, которые станут новыми вселенными.
• Конформная циклическая космология – циклическая модель Роджера Пенроуза и Ваагна Гурзадяна. Согласно данной модели Вселенная способна перейти в новый цикл, не нарушая второе начало термодинамики. Данная теория опирается на предположение, что черные дыры уничтожают поглощенную информацию, что неким образом «законно» понижает энтропию Вселенной. Тогда каждый такой цикл существования Вселенной начинается с подобия Большого Взрыва и заканчивается сингулярностью.

Другие модели возникновения Вселенной

Среди других гипотез, объясняющих появление видимой Вселенной наиболее популярны две следующие:

• Хаотическая теория инфляции — теория Андрея Линде. Согласно данной теории существует некоторое скалярное поле, которое неоднородно во всем своем объеме. То есть в различных областях вселенной скалярное поле имеет разное значение. Тогда в областях, где поле слабое – ничего не происходит, в то время как области с сильных полем начинают расширяться (инфляция) за счет его энергии, образуя при этом новые вселенные. Такой сценарий подразумевает существование множества миров, возникших неодновременно и имеющих свой набор элементарных частиц, а, следовательно, и законов природы.
• Теория Ли Смолина – предполагает, что Большой Взрыв не является началом существования Вселенной, а – лишь фазовым переходом между двумя ее состояниями. Так как до Большого Взрыва Вселенная существовала в форме космологической сингулярности, близкой по своей природе к сингулярности черной дыры, Смолин предполагает, что Вселенная могла возникнуть из черной дыры.

Итоги

Несмотря на то, что циклические и другие модели отвечают на ряд вопросов, ответы на которые не может дать теория Большого Взрыва, в том числе проблема космологической сингулярности. Все же в комплекте с инфляционной теорией Большой Взрыв более цельно объясняет возникновение Вселенной, а также сходится с множеством наблюдений.

Сегодня исследователи продолжают интенсивно изучать возможные сценарии зарождения Вселенной, однако, дать неопровержимый ответ на вопрос «Как появилась Вселенная?» — вряд ли удастся в ближайшем будущем. На это есть две причины: прямое доказательство космологических теорий практически невозможно, лишь косвенное; даже теоретически нет возможности получить точную информацию о мире до момента Большого Взрыва. По этим двум причинам ученым остается лишь выдвигать гипотезы и строить космологические модели, которые максимально верно будут описывать природу наблюдаемой нами Вселенной.

Узнав о теории Большого взрыва, мы задаем себе вопрос, откуда же взялось то, что взорвалось?

Вопрос о происхождении Вселенной со всеми ее известными и пока неведомыми свойствами испокон веков волнует человека. Но только в ХХ веке, после обнаружения космологического расширения, вопрос об эволюции Вселенной стал понемногу прояснятся. Последние научные данные позволили сделать вывод, что наша Вселенная родилась 15 миллионов лет назад в результате Большого взрыва. Но что именно взорвалось в тот момент и что, собственно, существовало до Большого взрыва, по-прежнему оставалось загадкой. Созданная в ХХ веке инфляционная теория появления нашего мир позволила существенно продвинутся в разрешении этих вопросов, общая картина первых мгновений Вселенной сегодня уже неплохо прорисована, хотя многие проблемы еще ждут своего часа.

До начала прошлого века было всего два взгляда на происхождение нашей Вселенной. Ученые полагали, что она вечна и неизменна, а богословы говорили, что Мир сотворен и у него будет конец. Двадцатый век, разрушив очень многое из того, что было создано в предыдущие тысячелетия, сумел дать свои ответы на большинство вопросов, занимавших умы ученых прошлого. И быть может, одним из величайших достижений ушедшего века является прояснение вопроса о том, как возникла Вселенная, в которой мы живем, и какие существуют гипотезы по поводу ее будущего. Простой астрономический факт - расширение нашей Вселенной - привел к полному пересмотру всех космогонических концепций и разработке новой физики - физики возникающих и исчезающих миров. Всего 70 лет назад Эдвин Хаббл обнаружил, что свет от более далеких галактик «краснее» света от более близких. Причем скорость разбегания оказалась пропорциональна расстоянию от Земли (закон расширения Хаббла). Обнаружить это удалось благодаря эффекту Доплера (зависимости длины волны света от скорости источника света). Поскольку более далекие галактики кажутся более «красными», то предположили, что и удаляются они с большей скоростью. Кстати, разбегаются не звезды и даже не отдельные галактики, а скопления галактик. Ближайшие от нас звезды и галактики связаны друг с другом гравитационными силами и образуют устойчивые структуры. Причем в каком направлении ни посмотри, скопления галактик разбегаются от Земли с одинаковой скоростью, и может показаться, что наша Галактика является центром Вселенной, однако это не так. Где бы ни находился наблюдатель, он будет везде видеть все ту же картину - все галактики разбегаются от него. Но такой разлет вещества обязан иметь начало. Значит, все галактики должны были родиться в одной точке. Расчеты показывают, что произошло это примерно 15 млрд. лет назад. В момент такого взрыва температура была очень большой, и должно было появиться очень много квантов света. Конечно, со временем все остывает, а кванты разлетаются по возникающему пространству, но отзвуки Большого взрыва должны были сохраниться до наших дней. Первое подтверждение факта взрыва пришло в 1964 году, когда американские радиоастрономы Р. Вильсон и А. Пензиас обнаружили реликтовое электромагнитное излучение с температурой около 3° по шкале Кельвина (-270 °С). Именно это открытие, неожиданное для ученых, убедило их в том, что Большой взрыв действительно имел место и поначалу Вселенная была очень горячей. Теория Большого взрыва позволила объяснить множество проблем, стоявших перед космологией. Но, к сожалению, а может, и к счастью, она же поставила и ряд новых вопросов. В частности: Что было до Большого взрыва? Почему наше пространство имеет нулевую кривизну и верна геометрия Евклида, которую изучают в школе? Если теория Большого взрыва справедлива, то отчего нынешние размеры нашей Вселенной гораздо больше предсказываемого теорией 1 сантиметра? Почему Вселенная на удивление однородна, в то время как при любом взрыве вещество разлетается в разные стороны крайне неравномерно? Что привело к начальному нагреву Вселенной до невообразимой температуры более 10 13 К?

Все это указывало на то, что теория Большого взрыва неполна. Долгое время казалось, что продвинуться далее уже невозможно. Только четверть века назад благодаря работам российских физиков Э. Глинера и А. Старобинского, а также американца А. Гуса было описано новое явление - сверхбыстрое инфляционное расширение Вселенной. Описание этого явления основывается на хорошо изученных разделах теоретической физики - общей теории относительности Эйнштейна и квантовой теории поля. Сегодня считается общепринятым, что именно такой период, получивший название «инфляция», предшествовал Большому взрыву.

При попытке дать представление о сущности начального периода жизни Вселенной приходится оперировать такими сверхмалыми и сверхбольшими числами, что наше воображение с трудом их воспринимает. Попробуем воспользоваться некоей аналогией, чтобы понять суть процесса инфляции.

Представим себе покрытый снегом горный склон, в который вкраплены разнородные мелкие предметы - камешки, ветки и кусочки льда. Кто-то, находящийся на вершине этого склона, сделал небольшой снежок и пустил его катиться с горы. Двигаясь вниз, снежок увеличивается в размерах, так как на него налипают новые слои снега со всеми включениями. И чем больше размер снежка, тем быстрее он будет увеличиваться. Очень скоро из маленького снежка он превратится в огромный ком. Если склон заканчивается пропастью, то он полетит в нее со все более увеличивающейся скоростью. Достигнув дна, ком ударится о дно пропасти и его составные части разлетятся во все стороны (кстати, часть кинетической энергии кома при этом пойдет на нагрев окружающей среды и разлетающегося снега).

Теперь опишем основные положения теории, используя приведенную аналогию. Прежде всего физикам пришлось ввести гипотетическое поле, которое было названо «инфлатонным» (от слова «инфляция»). Это поле заполняло собой все пространство (в нашем случае - снег на склоне). Благодаря случайным колебаниям оно принимало разные значения в произвольных пространственных областях и в различные моменты времени. Ничего существенного не происходило, пока случайно не образовалась однородная конфигурация этого поля размером более 10 -33 см. Что же касается наблюдаемой нами Вселенной, то она в первые мгновения своей жизни, по-видимому, имела размер 10 -27 см. Предполагается, что на таких масштабах уже справедливы основные законы физики, известные нам сегодня, поэтому можно предсказать дальнейшее поведение системы. Оказывается, что сразу после этого пространственная область, занятая флуктуацией (от лат. fluctuatio - «колебание», случайные отклонения наблюдаемых физических величин от их средних значений), начинает очень быстро увеличиваться в размерах, а инфлатонное поле стремится занять положение, в котором его энергия минимальна (снежный ком покатился). Такое расширение продолжается всего 10 -35 секунды, но этого времени оказывается достаточно для того, чтобы диаметр Вселенной возрос как минимум в 10 27 раз и к окончанию инфляционного периода наша Вселенная приобрела размер примерно 1 см. Инфляция заканчивается, когда инфлатонное поле достигает минимума энергии - дальше падать некуда. При этом накопившаяся кинетическая энергия переходит в энергию рождающихся и разлетающихся частиц, иначе говоря, происходит нагрев Вселенной. Как раз этот момент и называется сегодня Большим взрывом.

Гора, о которой говорилось выше, может иметь очень сложный рельеф-несколько разных минимумов, долины внизу и всякие холмы и кочки. Снежные комья (будущие вселенные) непрерывно рождаются наверху горы за счет флуктуаций поля. Каждый ком может скатиться в любой из минимумов, породив при этом свою вселенную со специфическими параметрами. Причем вселенные могут существенно отличаться друг от друга. Свойства нашей Вселенной удивительнейшим образом приспособлены к тому, чтобы в ней возникла разумная жизнь. Другим вселенным, возможно, повезло меньше.

Еще раз хотелось бы подчеркнуть, что описанный процесс рождения Вселенной «практически из ничего» опирается на строго научные расчеты. Тем не менее у всякого человека, впервые знакомящегося с инфляционным механизмом, описанным выше, возникает немало вопросов.

Сегодня наша Вселенная состоит из большого числа звезд, не говоря уж о скрытой массе. И может показаться, что полная энергия и масса Вселенной огромны. И совершенно непонятно, как это все могло поместиться в первоначальном объеме 10-99см3. Однако во Вселенной существует не только материя, но и гравитационное поле. Известно, что энергия последнего отрицательна и, как оказалось, в нашей Вселенной энергия гравитации в точности компенсирует энергию, заключенную в частицах, планетах, звездах и прочих массивных объектах. Таким образом, закон сохранения энергии прекрасно выполняется, и суммарная энергия и масса нашей Вселенной практически равны нулю. Именно это обстоятельство отчасти объясняет, почему зарождающаяся Вселенная тут же после появления не превратилась в огромную черную дыру. Ее суммарная масса была совершенно микроскопична, и вначале просто нечему было коллапсировать. И только на более поздних стадиях развития появились локальные сгустки материи, способные создавать вблизи себя такие гравитационные поля, из которых не может вырваться даже свет. Соответственно, и частиц, из которых «сделаны» звезды, на начальной стадии развития просто не существовало. Элементарные частицы начали рождаться в тот период развития Вселенной, когда инфлатонное поле достигло минимума потенциальной энергии и начался Большой взрыв.

Область, занятая инфлатонным полем, разрасталась со скоростью, существенно большей скорости света, однако это нисколько не противоречит теории относительности Эйнштейна. Быстрее света не могут двигаться лишь материальные тела, а в данном случае двигалась воображаемая, нематериальная граница той области, где рождалась Вселенная (примером сверхсветового движения является перемещение светового пятна по поверхности Луны при быстром вращении освещающего ее лазера).

Причем окружающая среда совсем не сопротивлялась расширению области пространства, охваченного все более быстро разрастающимся инфлатонным полем, поскольку ее как бы не существует для возникающего Мира. Общая теория относительности утверждает, что физическая картина, которую видит наблюдатель, зависит от того, где он находится и как движется. Так вот, описанная выше картина справедлива для «наблюдателя», находящегося внутри этой области. Причем этот наблюдатель никогда не узнает, что происходит вне той области пространства, где он находится. Другой «наблюдатель», смотрящий на эту область снаружи, никакого расширения вовсе не обнаружит. В лучшем случае он увидит лишь небольшую искорку, которая по его часам исчезнет почти мгновенно. Даже самое изощренное воображение отказывается воспринимать такую картину. И все-таки она, по-видимому, верна. По крайней мере, так считают современные ученые, черпая уверенность в уже открытых законах Природы, правильность которых многократно проверена.

Надо сказать, что это инфлатонное поле и сейчас продолжает существовать и флуктуировать. Но только мы, внутренние наблюдатели, не в состоянии этого увидеть - ведь для нас маленькая область превратилась в колоссальную Вселенную, границ которой не может достигнуть даже свет.

Итак, сразу после окончания инфляции гипотетический внутренний наблюдатель увидел бы Вселенную, заполненную энергией в виде материальных частиц и фотонов. Если всю энергию, которую мог бы измерить внутренний наблюдатель, перевести в массу частиц, то мы получим примерно 10 80 кг. Расстояния между частицами быстро увеличиваются из-за всеобщего расширения. Гравитационные силы притяжения между частицами уменьшают их скорость, поэтому расширение Вселенной после завершения инфляционного периода постепенно замедляется.

Сразу после рождения Вселенная продолжала расти и охлаждаться. При этом охлаждение происходило в том числе и благодаря банальному расширению пространства. Электромагнитное излучение характеризуется длиной волны, которую можно связать с температурой - чем больше средняя длина волны излучения, тем меньше температура. Но если пространство расширяется, то будут увеличиваться и расстояние между двумя «горбами» волны, и, следовательно, ее длина. Значит, в расширяющемся пространстве и температура излучения должна уменьшаться. Что и подтверждает крайне низкая температура современного реликтового излучения.

По мере расширения меняется и состав материи, наполняющей наш мир. Кварки объединяются в протоны и нейтроны, и Вселенная оказывается заполненной уже знакомыми нам элементарными частицами - протонами, нейтронами, электронами, нейтрино и фотонами. Присутствуют также и античастицы. Свойства частиц и античастиц практически идентичны. Казалось бы, и количество их должно быть одинаковым сразу после инфляции. Но тогда все частицы и античастицы взаимно уничтожились бы и строительного материала для галактик и нас самих не осталось бы. И здесь нам опять повезло. Природа позаботилась о том, чтобы частиц было немного больше, чем античастиц. Именно благодаря этой небольшой разнице и существует наш мир. А реликтовое излучение - это как раз последствие аннигиляции (то есть взаимоуничтожения) частиц и античастиц. Конечно, на начальном этапе энергия излучения была очень велика, но благодаря расширению пространства и как следствие - охлаждению излучения эта энергия быстро убывала. Сейчас энергия реликтового излучения примерно в десять тысяч раз (104 раз) меньше энергии, заключенной в массивных элементарных частицах.

Постепенно температура Вселенной упала до 1010 К. К этому моменту возраст Вселенной составлял примерно 1 минуту. Только теперь протоны и нейтроны смогли объединяться в ядра дейтерия, трития и гелия. Это происходило благодаря ядерным реакциям, которые люди уже хорошо изучили, взрывая термоядерные бомбы и эксплуатируя атомные реакторы на Земле. Поэтому можно уверенно предсказывать, сколько и каких элементов может появиться в таком ядерном котле. Оказалось, что наблюдаемое сейчас обилие легких элементов хорошо согласуется с расчетами. Это означает, что известные нам физические законы одинаковы во всей наблюдаемой части Вселенной и были таковыми уже в первые секунды после появления нашего мира. Причем около 98% существующего в природе гелия образовалось именно в первые секунды после Большого взрыва.

Сразу после рождения Вселенная проходила инфляционный период развития - все расстояния стремительно увеличивались (с точки зрения внутреннего наблюдателя). Однако плотность энергии в разных точках пространства не может быть в точности одинаковой - какие-то неоднородности всегда присутствуют. Предположим, что в какой-то области энергия немного больше, чем в соседних. Но раз все размеры быстро растут, то и размер этой области тоже должен расти. После окончания инфляционного периода эта разросшаяся область будет иметь чуть больше частиц, чем окружающее ее пространство, да и ее температура будет немного выше.

Поняв неизбежность возникновения таких областей, сторонники инфляционной теории обратились к экспериментаторам: «необходимо обнаружить флуктуации температуры…» - констатировали они. И в 1992 году это пожелание было выполнено. Практически одновременно российский спутник «Реликт-1» и американский «COBE» обнаружили требуемые флуктуации температуры реликтового излучения. Как уже говорилось, современная Вселенная имеет температуру 2,7 К, а найденные учеными отклонения температуры от среднего составляли примерно 0,00003 К. Неудивительно, что такие отклонения трудно было обнаружить раньше. Так инфляционная теория получила еще одно подтверждение.

С открытием колебаний температуры появилась еще одна захватывающая возможность - объяснить принцип формирования галактики. Ведь чтобы гравитационные силы сжимали материю, необходим исходный зародыш - область с повышенной плотностью. Если материя распределена в пространстве равномерно, то гравитация, подобно Буриданову ослу, не знает, в каком направлении ей действовать. Но как раз области с избытком энергии и порождает инфляция. Теперь гравитационные силы знают, на что воздействовать, а именно, на более плотные области, созданные во время инфляционного периода. Под действием гравитации эти изначально чуть-чуть более плотные области будут сжиматься и именно из них в будущем образуются звезды и галактики.

Современный нам момент эволюции Вселенной крайне удачно приспособлен для жизни, и длиться он будет еще много миллиардов лет. Звезды будут рождаться и умирать, галактики вращаться и сталкиваться, а скопления галактик - улетать все дальше друг от друга. Поэтому времени для самосовершенствования у человечества предостаточно. Правда, само понятие «сейчас» для такой огромной Вселенной, как наша, плохо определено. Так, например, наблюдаемая астрономами жизнь квазаров, удаленных от Земли на 10-14 млрд. световых лет, отстоит от нашего «сейчас» как раз на те самые 10-14 млрд. лет. И чем дальше в глубь Вселенной мы заглядываем с помощью различных телескопов, тем более ранний период ее развития мы наблюдаем.

Сегодня ученые в состоянии объяснить большинство свойств нашей Вселенной, начиная с момента в 10 -42 секунды и до настоящего времени и даже далее. Они могут также проследить образование галактик и довольно уверенно предсказать будущее Вселенной. Тем не менее ряд «мелких» непонятностей еще остается. Это прежде всего - сущность скрытой массы (темной материи) и темной энергии. Кроме того, существует много моделей, объясняющих, почему наша Вселенная содержит гораздо больше частиц, чем античастиц, и хотелось бы определиться в конце концов с выбором одной правильной модели.

Как учит нас история науки, обычно именно «мелкие недоделки» и открывают дальнейшие пути развития, так что будущим поколениям ученых наверняка будет чем заняться. Кроме того, более глубокие вопросы тоже уже стоят на повестке дня физиков и математиков. Почему наше пространство трехмерно? Почему все константы в природе словно «подогнаны» так, чтобы возникла разумная жизнь? И что же такое гравитация? Ученые уже пытаются ответить и на эти вопросы.

Ну и конечно, оставим место для неожиданностей. Не надо забывать, что такие основополагающие открытия, как расширение Вселенной, наличие реликтовых фотонов и энергия вакуума, были сделаны, можно сказать, случайно и не ожидались ученым сообществом.

Возможные сценарии развития нашего мира

• 1. Пульсирующая модель Вселенной, при которой вслед за периодом расширения наступает период сжатия и все заканчивается Большим хлопком
• 2. Вселенная со строго подогнанной средней плотностью, в точности равной критической. В этом случае наш мир Евклидов, и его расширение все время замедляется
• 3. Равномерно расширяющаяся по инерции Вселенная. Именно в пользу такой открытой модели мира до последнего времени свидетельствовали данные о подсчете средней плотности нашей Вселенной
• 4. Мир, расширяющийся со все нарастающей скоростью. Новейшие экспериментальные данные и теоретические изыскания говорят о том, что Вселенная разлетается все быстрее, и несмотря на евклидовость нашего мира, большая часть галактик в будущем будет нам недоступна. И виновата в столь странном устроении мира та самая темная энергия, которую сегодня связали с некоей внутренней энергией вакуума, заполняющего все пространство

Что же ждет нашу Вселенную в дальнейшем? Еще несколько лет назад у теоретиков в этой связи имелись всего две возможности. Если плотность энергии во Вселенной мала, то она будет вечно расширяться и постепенно остывать. Если же плотность энергии больше некоторого критического значения, то стадия расширения сменится стадией сжатия. Вселенная будет сжиматься в размерах и нагреваться. Значит, одним из ключевых параметров, определяющим развитие Вселенной, является средняя плотность энергии. Так вот, астрофизические наблюдения, проводимые до 1998 года, говорили о том, что плотность энергии составляет примерно 30% от критического значения. А инфляционные модели предсказывали, что плотность энергии должна быть равна критической. Апологетов инфляционной теории это не очень смущало. Они отмахивались от оппонентов и говорили, что недостающие 70% «как-нибудь найдутся». И они действительно нашлись. Это большая победа теории инфляции, хотя найденная энергия оказалась такой странной, что вызвала больше вопросов, чем ответов. Похоже, что искомая темная энергия - это энергия самого вакуума.

В представлении людей, не связанных с физикой, вакуум - «это когда ничего нет» - ни вещества, ни частиц, ни полей. Однако это не совсем так. Стандартное определение вакуума - это состояние, в котором отсутствуют частицы. Поскольку энергия заключена именно в частицах, то, как резонно полагали едва ли не все, включая и ученых, нет частиц - нет и энергии. Значит, энергия вакуума равна нулю. Вся эта благостная картина рухнула в 1998 году, когда астрономические наблюдения показали, что разбегание галактик немножко отклоняется от закона Хаббла. Вызванный этими наблюдениями у космологов шок длился недолго. Очень быстро стали публиковаться статьи с объяснением этого факта. Самым простым и естественным из них оказалась идея о существовании положительной энергии вакуума. Ведь вакуум, в конце концов, означает просто отсутствие частиц, но почему лишь частицы могут обладать энергией? Обнаруженная темная энергия оказалась распределенной в пространстве на удивление однородно. Подобную однородность трудно осуществить, ведь если бы эта энергия была заключена в каких-то неведомых частицах, гравитационное взаимодействие заставляло бы их собраться в грандиозные конгломераты, подобные галактикам. Поэтому энергия, спрятанная в пространстве-вакууме, очень изящно объясняет устроение нашего мира.

Однако возможны и другие, более экзотические, варианты мироустроения. Например, модель Квинтэссенции, элементы которой были предложены советским физиком А.Д. Долговым в 1985 году, предполагает, что мы все еще скатываемся с той самой горки, о которой говорилось в начале нашего повествования. Причем катимся мы уже очень долго, и конца этому процессу не видно. Необычное название, позаимствованное у Аристотеля, обозначает некую «новую сущность», призванную объяснить, почему мир устроен так, а не иначе.

Сегодня вариантов ответа на вопрос о будущем нашей Вселенной стало значительно больше. И они существенно зависят от того, какая теория, объясняющая скрытую энергию, является правильной. Предположим, что верно простейшее объяснение, при котором энергия вакуума положительна и не меняется со временем. В этом случае Вселенная уже никогда не сожмется и нам не грозит перегрев и Большой хлопок. Но за все хорошее приходится платить. В этом случае, как показывают расчеты, мы в будущем никогда не сможем достигнуть всех звезд. Более того, количество галактик, видимых с Земли, будет уменьшаться, и через 10-20 млрд. лет в распоряжении человечества останется всего несколько соседних галактик, включая нашу - Млечный Путь, а также соседнюю Андромеду. Человечество уже не сможет увеличиваться количественно, и тогда придется заняться своей качественной составляющей. В утешение можно сказать, что несколько сотен миллиардов звезд, которые будут нам доступны в столь отдаленном будущем, - это тоже немало.

Впрочем, понадобятся ли нам звезды? 20 миллиардов лет - большой срок. Ведь всего за несколько сот миллионов лет жизнь развилась от трилобитов до современного человека. Так что наши далекие потомки, возможно, будут по внешнему виду и возможностям отличаться от нас еще больше, чем мы от трилобитов. Что же сулит им еще более отдаленное будущее, по прогнозам современных ученых? Ясно, что звезды будут тем или иным способом «умирать», но будут образовываться и новые. Этот процесс тоже не бесконечен - примерно через 10 14 лет, по предположению ученых, во Вселенной останутся только слабосветящиеся объекты - белые и темные карлики, нейтронные звезды и черные дыры. Почти все они также погибнут через 10 37 лет, исчерпав все запасы своей энергии. К этому моменту останутся лишь черные дыры, поглотившие всю остальную материю. Что может разрушить черную дыру? Любые наши попытки сделать это лишь увеличивают ее массу. Но «ничто не вечно под Луной». Оказывается, черные дыры медленно, но излучают частицы. Значит, их масса постепенно уменьшается. Все черные дыры тоже должны исчезнуть примерно через 10 100 лет. После этого останутся лишь элементарные частицы, расстояние между которыми будет намного превосходить размеры современной Вселенной (примерно в 1090 раз) - ведь все это время Вселенная расширялась! Ну и, конечно, останется энергия вакуума, которая будет абсолютно доминировать во Вселенной. Кстати, свойства такого пространства впервые изучил В. Де Ситтер еще в 1922 году. Так что нашим потомкам предстоит либо изменить физические законы Вселенной, либо перебраться в другие вселенные. Сейчас это кажется невероятным, но хочется верить в могущество человечества, как бы оно, человечество, ни выглядело в столь отдаленном будущем. Потому что времени у него предостаточно.

Кстати, возможно, что уже и сейчас мы, сами того не ведая, создаем новые вселенные. Для того чтобы в очень маленькой области возникла новая вселенная, необходимо инициировать инфляционный процесс, который возможен только при высоких плотностях энергий. А ведь экспериментаторы уже давно создают такие области, сталкивая частицы на ускорителях… И хотя эти энергии еще очень далеки от инфляционных, вероятность создания вселенной на ускорителе уже не равна нулю. К сожалению, мы являемся тем самым «удаленным наблюдателем», для которого время жизни этой «рукотворной» вселенной слишком мало, и внедриться в нее и посмотреть, что там происходит, мы не можем…

Хотя это не единственная теория возникновения Мира. Богословы считали, что Вселенная создана Богом, Творцом. Причем у разных народов существовали разные теории, например библейская теория. Создание мира происходило шесть дней.

В первый день «Вначале бог сотворил небо и землю. Земля же была бездонна и пуста, и тьма над бездною…», потом сказал Бог: «Да будет свет!»

Во второй день Бог сказал: «Да будет твердь посреди воды, и да отделяет она воду от воды!»

В третий день Бог сказал: «Да соберётся вода, которая под небом в одно место, и да явится суша!»

Настал четвертый день, Бог сказал:«Да будут светила на тверди небесной, для отделения дня и ночи, и для знамений и времен, и дней и годов; и да будут они светильниками на тверди небесной, что бы светить на Землю!«Это означало о появлении Солнца, Луны и звезд.

В пяты день Бог создал пресмыкающихся, животных, рыб и «всякую птицу пернатую», а в шестой день создал первого человека.

Из другой священной книги-Корана-тоже можно узнать о шестидневном сотворении Мира, о том, как Бог (Аллах) создал «семь небес» и «семь земель», причем сначала небеса и земли были соединены, а потом разъединились.

Инфляционная и богословная теории наиболее распространены на Земле, и всегда будут сторонники той или иной теории. Я бы хотел ближе рассмотреть тему происхождения и эволюции звезд и планет. Обсудим подробнее, что представляют собой звезды - эти светящиеся точки на небосклоне - в свете современной концепции.

Сначала формируется протозвезда. Частицы гигантского движущегося газопылевого облака в некоторой области пространства притягиваются между собой за счет гравитационных сил. Происходит это очень медленно, ведь силы, пропорциональные массам входящих в облако атомов (в основном атомов водорода) и пылинок, чрезвычайно малы. Однако постепенно частицы сближаются, плотность облака нарастает, оно становится непрозрачным, образующийся сферический «ком» начинает понемногу вращаться, растет и сила притяжения, ведь теперь масса «кома» велика. Все больше и больше частиц захватывается, все больше плотность вещества. Внешние слои давят на внутренние, давление в глубине растет, а, значит, растет и температура. (Именно так обстоит дело с газами, которые были подробно изучены на Земле). Наконец, температура становится такой большой - несколько миллионов градусов, - что в ядре этого образующегося тела создаются условия для протекания ядерной реакции синтеза: водород начинает превращаться в гелий. Об этом можно узнать, регистрируя потоки нейтрино - элементарных частиц, выделяющихся при такой реакции. Реакция сопровождается мощным потоком электромагнитного излучения, которое давит (силой светового давления, впервые измеренной в Земной лаборатории П. Лебедевым) на внешние слои вещества, противодействуя гравитационному сжатию. Наконец, сжатие прекращается, поскольку давления уравновешиваются, и протозвезда становится звездой. Чтобы пройти эту стадию своей эволюции протозвезде нужно несколько миллионов лет, если ее масса больше солнечной, и несколько сот миллионов лет, если ее масса меньше солнечной. Звезд, массы которых меньше солнечной в 10 раз, очень мало.

Масса является одной из важных характеристик звезд. Любопытно отметить, что довольно распространены двойные звезды - образующиеся вблизи друг друга и вращающиеся вокруг общего центра. Их насчитывается от 30 до 50 процентов от общего числа звезд. Возникновение двойных, вероятно, связано с распределением момента количества движения исходного облака. Если у такой пары образуется планетная система, то движение планет может быть довольно замысловатым, а условия на их поверхностях будут сильно изменяться в зависимости от расположения планеты на орбите по отношению к светилам. Весьма возможно, что стационарных орбит, вроде тех, что могут существовать в планетных системах одинарных звезд (и существуют в Солнечной системе), не окажется совсем. Обычные, одинарные звезды в процессе своего образования начинают вращаться вокруг своей оси.

Другой важной характеристикой является радиус звезды. Существуют звезды - белые карлики, радиус которых не превышает радиуса Земли, существуют и такие - красные гиганты, радиус которых достигает радиуса орбиты Марса. Химический состав звезд по спектроскопическим данным в среднем такой: на 10000 атомов водорода приходится 1000 атомов гелия, 5 атомов кислорода, 2 атома азота, 1 атом углерода, остальных элементов еще меньше. Из-за высоких температур атомы ионизируются, так что вещество звезды является в основном водородно-гелиевой плазмой - в целом электрически нейтральной смесью ионов и электронов. В зависимости от массы и химического состава исходного облака образовавшаяся звезда попадает на тот или иной участок, так называемой главной последовательности на диаграмме Герцшпрунга-Рессела. Последняя представляет собой координатную плоскость, на вертикальной оси которой откладывается светимость звезды (т.е. количество энергии, излучаемой ей в единицу времени), а на горизонтальной - ее спектральный класс (характеризующий цвет звезды, который в свою очередь зависит от температуры ее поверхности). При этом «синие» звезды более горячие, чем «красные», а наше «желтое» Солнце имеет промежуточную температуру поверхности порядка 6000 градусов) (рис. 2). Традиционно спектральные классы от горячих к холодным обозначаются буквами O, B, A, F, G, K, M, при этом каждый класс делится на десять подклассов. Так, наше Солнце имеет спектральный класс G2. На диаграмме видно, что большинство звезд располагается вдоль плавной кривой, идущей из левого верхнего угла в правый нижний. Это и есть главная последовательность. Наше Солнце также находится на ней. По мере «выгорания» водорода в центре звезды ее масса немного меняется и звезда немного смещается вправо вдоль главной последовательности. Звезды с массами порядка солнечной находятся на главной последовательности 10-15 млрд. лет (наше Солнце находится на ней уже около 4,5 млрд. лет). Постепенно энергии в центре звезды выделяется все меньше, давление падает, ядро сжимается, и температура в нем возрастает. Ядерные реакции протекают теперь только в тонком слое на границе ядра внутри звезды. В результате звезда в целом начинает «разбухать», а ее светимость увеличиваться. Звезда сходит с главной последовательности и перебирается в правый верхний угол диаграммы Герцшпрунга-Рессела, превращаясь в так называемый «красный гигант». После того, как температура сжимающегося (теперь уже гелиевого) ядра красного гиганта достигнет 100-150 млн. градусов, начинается новая ядерная реакция синтеза - превращение гелия в углерод. Когда и эта реакция исчерпает себя, происходит сброс оболочки - существенная часть массы звезды превращается в планетарную туманность. Горячие внутренние слои звезды оказываются «снаружи», и их излучение «раздувает» отделившуюся оболочку. Через несколько десятков тысяч лет оболочка рассеивается, и остается небольшая очень горячая плотная звезда. Медленно остывая, она переходит в левый нижний угол диаграммы и превращается в «белый карлик». Белые карлики, по-видимому, представляют собой заключительный этап нормальной эволюции большинства звезд.

Но встречаются и аномалии. Некоторые звезды время от времени вспыхивают, превращаясь в новые звезды. При этом они каждый раз теряют порядка сотой доли процента своей массы. Из хорошо известных звезд можно упомянуть новую в созвездии Лебедя, вспыхнувшую в августе 1975 года и пробывшую на небосводе несколько лет. Но иногда случаются и вспышки сверхновых - катастрофические события, ведущие к полному разрушению звезды, при которых за короткое время излучается энергии больше, чем от миллиардов звезд той галактики, к которой принадлежит сверхновая. Такое событие зафиксировано в китайских хрониках 1054 года: на небосводе появилась такая яркая звезда, что ее можно было видеть даже днем. Результат этого события известен нам теперь как Крабовидная туманность (рис. 3), «медленное» распространение которой по небу мы наблюдаем в последние 300 лет. Скорость разлета ее газов в результате взрыва составляет порядка 1500 м/с, но она находится очень далеко. Сопоставляя скорость разлета с видимым размером Крабовидной туманности, мы можем рассчитать время, когда она была точечным объектом, и найти его место на небосклоне - эти время и место соответствуют времени и месту появления звезды, упомянутой в хрониках.

Если масса звезды, оставшейся после сброса оболочки «красным гигантом» превосходит солнечную в 1,2-2,5 раза, то, как показывают расчеты, устойчивый «белый карлик» образоваться не может. Звезда начинает сжиматься, и ее радиус достигает ничтожных размеров в 10 км, а плотность вещества такой звезды превышает плотность атомного ядра. Предполагается, что такая звезда состоит из плотно упакованных нейтронов, поэтому она так и называется - нейтронная звезда. Согласно этой теоретической модели у нейтронной звезды имеется сильное магнитное поле, а сама она вращается с огромной скоростью - несколько десятков или сотен оборотов в секунду. И только обнаруженные (именно в Крабовидной туманности) в 1967 году пульсары - точечные источники импульсного радиоизлучения высокой стабильности - обладают как раз такими свойствами, каких следовало ожидать от нейтронных звезд. Наблюдаемое явление подтвердило концепцию.

Если же оставшаяся масса еще больше, то гравитационное сжатие неудержимо сжимает вещество и дальше. Вступает в действие одно из предсказаний общей теории относительности, согласно которому вещество сожмется в точку. Это явление называется гравитационным коллапсом, а его результат - «черной дырой». Это название связано с тем, что гравитационная масса такого объекта настолько велика, силы притяжения настолько значительны, что не только какое-либо вещественное тело не может покинуть окрестность черной дыры, но даже свет - электромагнитный сигнал - не может ни отразиться, ни выйти «наружу». Таким образом, непосредственно наблюдать черную дыру невозможно, можно лишь догадаться о ее существовании по косвенным эффектам. Двигаясь в пространстве по направлению к черной дыре (о которой мы пока ничего не знаем), можно обнаружить, что рисунок созвездий, расположенных прямо по курсу начинает меняться. Это связано с тем, что свет, идущий от звезд и проходящий неподалеку от черной дыры, отклоняется ее тяготением. По мере приближения к дыре возникнет пустая область, окруженная светящимися точками-звездами, в том числе и такими, которых раньше не наблюдалось. Свет от некоторых звезд может, проходя мимо дыры, поворачивать вокруг нее, а затем попадать в приемные устройства наблюдателя. Таким образом, одна звезда может давать несколько изображений в разных местах. Все это, конечно, противоречит как нашему жизненному опыту, так и классическим представлениям, согласно которым свет распространяется прямолинейно. Однако в пользу существования черных дыр говорит целый ряд косвенных астрономических наблюдений, а отклонение света под действием гравитационного притяжения регистрируется уже при прохождении луча мимо такого «нормального» объекта, как Солнце.

Теперь можно перейти к теме возникновения планет.

Движение планет в Солнечной системе упорядочение: они вращаются вокруг Солнца в одном направлении и почти в одной плоскости. Расстояния от одной планеты до другой возрастают закономерно. Орбиты планет близки к окружностям, что и позволяет им вращаться вокруг Солнца миллиарды лет, не сталкиваясь друг с другом.

Если движение планет подчиняется одному и тому же порядку, то и процесс их образования должен быть единым. Это показали в XVIII в. Иммануил Кант и Пьер Лаплас. Они пришли к выводу, что на месте планет вокруг Солнца первоначально вращалась туманность из газа и пыли.

Но откуда взялась эта туманность? И каким образом газ и пыль превратились в крупные планетные тела? Эти вопросы оставались нерешёнными в космогонии XIX и начала XX в. Камнем преткновения была и проблема момента количества движения планет. Масса всех планет системы в 750 раз меньше массы Солнца. При этом на долю Солнца приходится лишь 2% общего момента количества движения, а остальные 98% заключены в орбитальном вращении планет.

Вплотную этими проблемами наука занялась лишь во второй половине XX в. Почти до конца 80-х гг. раннюю историю нашей планетной системы приходилось «воссоздавать» лишь на основе данных о ней самой. И только к 90-м гг. стали доступны для наблюдений невидимые ранее объекты - газопылевые диски, вращающиеся вокруг некоторых молодых звёзд, сходных с Солнцем.

Газопылевую туманность, в которой возникли планеты, их спутники, мелкие твёрдые тела - метеориты, астероиды и кометы, называют протопланетным (или допланетным) облаком. Планеты вращаются вокруг Солнца почти в одной плоскости, а значит, и само газопылевое облако имело уплощённую, чечевицеобразную форму, поэтому его называют ещё диском. Учёные полагают, что и Солнце, и диск образовались из одной и той же вращающейся массы межзвёздного газа - протосолнечной туманности.

Начальная фаза протосолнечной туманности - предмет исследования астрофизики и звёздной космогонии. Изучение же её эволюции, приведшей к появлению планет, - центральная задача космогонии планетной.

Возраст Солнца насчитывает чуть меньше 5 млрд. лет. Возраст древнейших метеоритов почти такой же: 4,5-4,6 млрд. лет. Столь же стары и рано затвердевшие части лунной коры. Поэтому принято считать, что Земля и другие планеты сформировались 4,6 млрд. лет назад. Солнце относится к звёздам так называемого второго поколения Галактики. Самые старые её звёзды значительно (на 8-10 млрд. лет) старше Солнечной системы. В Галактике есть и молодые звёзды, которым всего 100 тыс. - 100 млн лет (для звезды это совсем юный возраст). Многие из них похожи на Солнце, и по ним можно судить о начальном состоянии нашей системы. Наблюдая несколько десятков подобных объектов, учёные пришли к следующим выводам.

Размер допланетного облака Солнечной системы должен был превышать радиус орбиты последней планеты - Плутона. Химический состав молодого Солнца и окружавшего его газопылевого облака-диска, по-видимому, был одинаков. Общее содержание водорода и гелия достигало в нём 98%. На долю всех остальных, более тяжёлых элементов приходилось лишь 2%; среди них преобладали летучие соединения, включающие углерод, азот и кислород: метан, аммиак, вода, углекислота. Другими методами и в других отраслях знания.

Расчёты показывают, что в пределах орбиты Плутона, т.е. диска радиусом 40 а. е., общая масса всех планет вместе с утерянными к настоящему времени летучими веществами должна была составлять 3-5% от массы Солнца. Такую модель облака называют облаком умеренно малой массы, она подтверждается и наблюдениями околозвёздных дисков.

Если бы масса облака была сопоставима с массой центрального тела, то должна была бы образоваться звезда - компаньон Солнца (или же надо найти объяснение выбросу огромных излишков вещества из Солнечной системы).

Наименее изучена самая ранняя стадия - выделение протосолнечной туманности из гигантского родительского молекулярного облака, принадлежащего Галактике. В 40-х гг. академик Отто Юльевич Шмидт выдвинул ставшую общепринятой гипотезу об образовании Земли и других планет из холодных твёрдых допланетных тел - планетезымалей. Распространённая ранее точка зрения, что планеты» - это небольшие остатки некогда раскалённых гигантских газовых сгустков солнечного состава, потерявших летучие вещества, пришла в противоречие с науками о Земле.

Земля, как показывают исследования, никогда не проходила через огненно-жидкое, т.е. полностью расплавленное состояние. Исследуя шаг за шагом эволюцию допланетного диска, учёные получили последовательность основных этапов развития газопылевого диска, окружавшего Солнце, в систему планет.

Первоначальный размер облака превышал современный размер планетной системы, а его состав соответствовал тому, который наблюдается в межзвёздных туманностях: 99% газа и 1% пылевых частиц размерами от долей микрометра до сотен микрометров. Во время коллапса, т.е. падения газа с пылью на центральное ядро (будущее Солнце), вещество сильно разогревалось, и межзвёздная пыль могла частично или полностью испариться. Таким образом, на первой стадии облако состояло почти целиком из газа, притом хорошо перемешанного благодаря высокой турбулентности - разнонаправленному, хаотичному движению частиц.

По мере формирования диска турбулентность стихает. Это занимает немного времени - около 1000 лет. При этом газ охлаждается и в нём вновь образуются твёрдые пылевые частицы. Таков первый этап эволюции диска.

Для остывающего допланетного облака характерно очень низкое давление - менее десятитысячной доли атмосферы. При таком давлении вещество из газа конденсируется непосредственно в твёрдые частички, минуя жидкую фазу. Первыми конденсируются самые тугоплавкие соединения кальция, магния, алюминия и титана, затем магниевые силикаты, железо и никель. После этого в газовой среде остаются лишь сера, свободный кислород, азот, водород, все инертные газы и некоторые летучие элементы.

В процессе конденсации становятся активными пары воды, окисляющие железо и образующие гидраризованные соединения. Основные же космические элементы - водород и гелий - остаются в газообразной форме. Для их конденсации потребовались бы температуры, близкие к абсолютному нулю, ни при каких условиях недостижимые в облаке.

Химический состав пылинок в допланетном диске определялся температурой, которая падала по мере удаления от Солнца. К сожалению, рассчитать изменение температуры в допланетном облаке очень трудно. Химический состав планет земной группы показывает, что они состоят в основном из веществ, конденсировавшихся при высоких температурах. В составе ближней части пояса астероидов преобладают каменистые тела. По мере удаления от Солнца в поясе астероидов увеличивается число тел, которые содержат обогащённые водой минералы и некоторые летучие вещества. Их удалось обнаружить в метеоритах, являющихся осколками астероидов. Среди малых планет, по-видимому, нет или очень немного ледяных тел. Следовательно, граница конденсации водяного льда должна была проходить за ними, не ближе внешнего края пояса астероидов - в три с лишним раза дальше от Солнца, чем Земля.

В то же время крупнейшие спутники Юпитера - Ганимед и Каллисто - наполовину состоят из воды. Они находятся на гораздо большем расстоянии от Солнца, чем пояс астероидов. Значит, водяной лёд конденсировался во всей зоне образования Юпитера. Начиная с орбиты Юпитера и дальше в допланетном облаке должны были преобладать ледяные пылинки с вкраплениями более тугоплавких веществ. В области внешних планет, при ещё более низкой температуре, в составе пылинок оказались льды метана, аммиака, твёрдая углекислота и другие замёрзшие летучие соединения. Подобный состав в настоящее время имеют кометные ядра, залетающие в окрестности Земли с далёкой периферии Солнечной системы.

Первые конденсаты - пылинки, льдинки - сразу после своего появления начинали двигаться сквозь газ к центральной плоскости облака. Чем крупнее были частицы, тем быстрее они оседали, так как при своём движении более крупные частицы (в отличие от мелких) встречают меньшее сопротивление газа на единицу их массы.

На втором этапе завершалось образование тонкого пылевого слоя - пылевого субдиска - в центральной плоскости облака. Расслоение облака сопровождалось увеличением размеров частиц до нескольких сантиметров. Сталкиваясь друг с другом, частицы слипались, при этом скорость их движения к центральной плоскости увеличивалась и рост тоже ускорялся.

В некоторый момент плотность пыли в субдиске приблизилась к критическому значению, превысив плотность газа уже в десятки раз. При достижении критической плотности пылевой слой делается гравитационно неустойчивым. Даже очень слабые уплотнения, случайно возникающие в нём, не рассеиваются, а, наоборот, со временем сгущаются. Сначала в нём могла образоваться система колец, которые, уплотняясь, также теряли свою устойчивость и на третьем этапе эволюции диска распадались на множество отдельных мелких сгустков. Из-за вращения, унаследованного от вращающегося диска, эти сгустки не могут сразу сжаться до плотности твёрдых тел. Но, сталкиваясь друг с другом, они объединяются и всё более уплотняются. На четвёртом этапе образуется рой допланетных тел размером около километра; первоначальное число их достигает многих миллионов.

Описанный путь образования тел возможен, если пылевой субдиск очень плоский: его толщина должна быть во много раз меньше диаметра. Такие объекты существуют и ныне, например кольца Сатурна.

Другой путь формирования допланетных тел помимо гравитационной конденсации - это их прямой рост при столкновениях мелких частиц. Они могут слипаться лишь при небольших скоростях соударений, при достаточно разрыхлённой поверхности контакта или в случае повышенной силы сцепления.

Такие тела, каким бы из двух путей они ни возникли, послужили строительным материалом для формирования планет, спутников и метеорных тел.

Учёные предполагают, что допланетные тела, образовавшиеся на периферии облака при очень низкой температуре, сохранились до сих пор в кометном облаке, куда они были заброшены гравитационными возмущениями планет-гигантов.

Образование допланетных тел в газопылевом облаке продолжалось десятки тысяч лет - крайне незначительный срок в космогонической шкале времени. Дальнейшее объединение тел в планеты - аккумуляция планет - гораздо более длительный процесс, занявший сотни миллионов лет. Детально восстановить его очень трудно: последующая геологическая стадия, длящаяся уже более 4 млрд. лет, к настоящему времени стёрла особенности начального состояния планет.

Допланетный рой представлял собой сложную систему большого числа тел планетезималей. Они обладали неодинаковыми массами и двигались с разными скоростями. Помимо общей для всех тел на данном расстоянии от Солнца скорости обращения по орбите эти тела имели дополнительные индивидуальные скорости со случайно распределёнными направлениями. В допланетном облаке самыми многочисленными всегда были мелкие частицы и тела. Меньшую долю составляли тела промежуточных размеров. Крупных тел, сравнимых с Луной или Марсом, было совсем мало.

Эволюция облака вела к тому, что именно в немногих крупных телах сосредоточивалась основная масса всего планетного вещества. Эта иерархия сохранилась и до наших дней: совокупная масса планет намного выше общей массы всех малых тел - спутников, астероидов, комет и пылевых частиц.

Крупные тела своим гравитационным влиянием постепенно увеличивают хаотические скорости планетезималей. Каждое сближение двух тел меняет характер их движения по околосолнечным орбитам. Как правило, орбиты становятся более вытянутыми и более наклонёнными к центральной плоскости. Таким образом, в течение этого этапа идёт «раскачка» системы от очень плоского диска к более утолщённому. При этом тела приобретают тем большие хаотические скорости, чем меньше их масса, и наоборот.

Растут тела очень неравномерно. Самое крупное из них в любой кольцевой зоне, где орбиты остальных тел пересекаются с его орбитой, получает привилегированное положение и в перспективе может стать зародышем планеты.

Роль соударений можно пояснить на примере современного пояса астероидов, где последствия ударов неодинаковы для разных тел. В нынешнее время хаотические скорости астероидов составляют примерно 5 км/с; с такими же скоростями они сталкиваются с мелкими телами. Энергия удара при падении тела на поверхность астероида обычно так велика, что разрушается не только само упавшее тело, но и часть астероида. Образуется ударный кратер, выбросы из которого разлетаются со скоростями сотни метров в секунду. Разлетающееся вещество вновь падает на поверхность астероида только в том случае, если он обладает достаточным тяготением.

Все астероиды современного пояса теряют массу при столкновениях. Лишь несколько самых больших (с радиусами более 200 км) в лучшем случае способны сохранить свою массу. Точно так же и столкновения планетезималей приводили к росту лишь наиболее крупных из них.

Внутреннюю часть Солнечной системы образуют планеты земной группы - Меркурий, Венера, Земля и Марс. Состав этих планет свидетельствует, что их рост происходил в отсутствие лёгких газов за счёт каменистых частиц и тел, содержавших различное количество железа и других металлов.

Главное условие роста тел при столкновениях - их низкие относительные скорости на начальном этапе. Чтобы тела достигли километровых размеров, хаотические скорости не должны превышать 1 м/с. Это возможно, только если нет сильного воздействия извне. В зоне роста планет земной группы внешние воздействия были слабы, лишь в зоне Марса сказалось влияние Юпитера, замедлявшее его рост и уменьшавшее массу. В поясе астероидов, наоборот, явно прослеживается возмущающее влияние соседней планеты-гиганта Юпитера. Стадия объединения планетезималей в планеты и их роста длилась более 100 млн. лет.

Период диссипации (рассеяния) газа из зоны земных планет продолжался не более 10 млн. лет. В основном газ выдувался солнечным ветром, т.е. потоками заряженных частиц (протонов и электронов), выбрасываемых с поверхности Солнца со скоростями сотни километров в секунду.

Солнечный ветер очистил от газа не только область планет земной группы, но и более отдалённые пространства планетной системы. Однако планеты-гиганты Юпитер и Сатурн уже успели вобрать в себя огромное количество вещества, подавляющую часть массы всей планетной системы.

Как же формировались планеты-гиганты? Их зародыши могли возникать двумя путями: через гравитационную неустойчивость газовых масс допланетного диска или путём нарастающего захвата газовой атмосферы на массивном ядре из планетезималей.

В первом случае масса допланетного облака должна была составлять значительную долю массы Солнца, а состав планет-гигантов должен совпадать с солнечным. Ни то ни другое не соответствует фактам. Исследования последних лет показали, что в ядрах Юпитера и Сатурна, по-видимому, присутствуют элементы тяжелее водорода и гелия, составляющие по меньшей мере 5-6% массы планеты. Это существенно больше, чем можно было бы ожидать при солнечном содержании химических элементов. Значит, более вероятен второй путь: сначала, как и у планет земной группы, образуется массивное ядро-зародыш из каменистых и ледяных планетезималей, а затем оно наращивает водородно-гелиевую оболочку.

Процесс присоединения вещества называют аккрецией. Начиная с одной-двух масс Земли, тело может не только удерживать газовую атмосферу на поверхности, но и в ускоряющемся темпе захватывать новые порции газа, если на пути его движения имеется газовая среда. Аккреция прекращается лишь тогда, когда газ полностью исчерпан. Продолжительность этого процесса намного короче, чем стадия образования ядра-зародыша. По расчётам учёных, рост ядра Юпитера длился десятки, а ядра Сатурна - сотни миллионов лет.

Пока ядро, погружённое в газ, невелико, оно присоединяет лишь небольшую атмосферу, находящуюся в равновесии. Но при некоторой критической массе (2-3 массы Земли) газ начинает в возрастающем темпе выпадать на тело, сильно увеличивая его массу. На стадии быстрой аккреции всего за несколько сот лет Юпитер вырос до массы, превышающей 50 масс Земли, поглотив газ из сферы своего гравитационного влияния. Затем скорость аккреции упала, так как газ мог поступать к планете лишь путём медленной диффузии из более широкой зоны диска.

Одновременно Юпитер продолжал расти за счёт твёрдых планетезималей, а те, что не были им поглощены, могли быть отброшены его тяготением либо внутрь, в зону астероидов и зону Марса, либо прочь из Солнечной системы. Юпитер сообщал твёрдым телам скорости больше скорости освобождения: для того чтобы покинуть Солнечную систему с орбиты Юпитера, достаточно скорости всего 18 км/с, а тело, пролетающее от Юпитера на расстоянии нескольких его радиусов, разгоняется до десятков километров в секунду.

Сатурн формировался аналогичным образом. Но его ядро росло не так быстро и достигло критической массы позднее. К этому времени из-за действия солнечного ветра газа осталось меньше, чем в зоне Юпитера к началу его аккреции. Вот почему по сравнению с Юпитером Сатурн содержит в несколько раз больше конденсируемого вещества и ещё сильнее отличается по составу от Солнца.

Уран и Нептун росли ещё медленнее, а газ из внешней зоны диссипировал быстрее. Когда эти планеты достигли критической массы, газа в их зонах почти не осталось. Поэтому на долю водорода и гелия приходится лишь около 10% массы Урана, Нептун же содержит их ещё меньше. Главными составляющими этих тел являются вода, метан и аммиак, а также окислы тяжёлых элементов; газы входят в планетные атмосферы.

Двухступенчатая схема образования планет-гигантов (формирование ядер из конденсированных веществ и газовая аккреция на эти ядра) подтверждается фактами. Во-первых, выяснилось, что современные массы ядер Юпитера и Сатурна, а также массы Урана и Нептуна без их атмосфер имеют близкие значения: 14-20 масс Земли, тогда как доля газов - водорода и гелия - в них закономерно уменьшается по мере удаления от Солнца. Во-вторых, существуют такие «вещественные доказательства» ранней истории планет-гигантов, как их спутники и кольца. Аккреция газа на планеты сопровождается образованием вокруг них газопылевых дисков, в которых формируются спутники.

На стадии быстрой аккреции освобождалось огромное количество энергии, и верхние слои планет сильно нагревались. Максимальная температура поверхности Юпитера и Сатурна, по-видимому, составляла несколько тысяч градусов - почти как у звёзд. В диске Юпитера, где формировались его спутники, на близких расстояниях от планеты температура была выше точки конденсации водяного пара, а на более далёких - ниже. И действительно, ближние спутники Юпитера, включая Ио и Европу, состоят из каменистых веществ, а более отдалённые - Ганимед и Каллисто - наполовину из водяного льда. У Сатурна в диске температура была ниже, поэтому лёд там конденсировался на всех расстояниях (частицы колец Сатурна и все его близкие спутники - ледяные).

Список литературы

• 1. Журнал «Вокруг света» февраль 2004 г., стр. 56-65
• 2. Зингель Ф.Ю. Астрономия: все развития, 1988
• 3. Левитан Е.П. Астрономия. Просвещение, 1994 / Левитан Е.П. Твоя Вселенная. Просвещение 1995
• 4. Чернин А.Д. Звезды и физика. М.: Наука, 1994.
• 5. Шкловский И.С. Звезды: их рождение, жизнь, смерть. М., 1984