Для описания будущего Вселенной предлагаются различные космологические сценарии. Все эти гипотезы можно разделить на две группы: модели «закрытой» и модели «открытой» Вселенной. Если кривизна пространства отрицательна или равна нулю, то задается модель открытой Вселенной, если кривизна пространства положительна, то задается модель «закрытой», или «замкнутой», Вселенной.
«Закрытая» модель предполагает, что Вселенная одновременно конечна и неограниченна, т.е. двигаясь по ней, нельзя достичь границы. Однако свет, пущенный наблюдателем из какого-то источника, вернется к нему с противоположной стороны. В гипотезе замкнутой Вселенной предполагается, что мир проходит множество эволюционных циклов. Каждый цикл представляет собой сначала расширение, а затем сжатие Вселенной и длится примерно 100 млрд. лет. При переходе в новый цикл меняются фундаментальные характеристики Вселенной, связанные с основными физическими константами. Что касается нынешнего состояния Вселенной, то в рамках данной гипотезы предполагается, что примерно через 30 млрд. лет она начнет сжиматься, а еще через 50 млрд. лет вернется в сингулярное состояние, из которого «родится» вновь.
«Открытая» модель рассматривает Вселенную как бесконечную. В моделях открытой Вселенной предполагается, что через 10 14 лет звезды остынут, поскольку исчезнет весь материал для термоядерных реакций. Через 10 15 лет звезды начнут покидать свои галактики, а планеты отрываться от звезд и улетать в космическое пространство. За время примерно в 10 17 лет все звезды окончательно потеряют свои планеты, а центральные части галактик коллапсируют. Оставшееся вещество благодаря гравитационным силам начнет собираться в ядра с огромной плотностью, т.е. галактики превратятся в сверхмассивные черные дыры. Через 10 32 лет Вселенная будет состоять из черных дыр и разреженного электронно-позитронного газа. Через 10 96 лет черные дыры испарятся. Через 10 100 лет Вселенная превратится в электронно-позитронную плазму очень малой плотности.
Такой сценарий предполагается в случае нестабильности протона. Если же протон стабилен, то высказывается предположение, что через 10 65 лет все вещество превратится в жидкость, а звезды, ставшие к тому времени черными карликами, превратятся в жидкие капли. Через 10 1500 лет все жидкие капли станут железными. Через огромное количество лет, которое выражается невероятными цифрами, и эти жидкие железные капли превратятся в черные дыры и постепенно испарятся. Вселенная, как и в предыдущей модели, перейдет в состояние электронно-позитронной плазмы.
В данный момент наша Вселенная находится в состоянии расширения. Создатель синергетики И. Пригожин утверждает, что стандартная модель предсказывает: в конце концов, наша Вселенная обречена на смерть либо в результате непрерывного расширения (тепловая смерть), либо в результате последующего сжатия («страшный треск»).Однако, Вселенная, возникнув из вакуума, в результате расширения вновь возвращается в состояние вакуума, но не исключаются возможности повторных флуктуации.
Исторически представления о Вселенной всегда развивались в рамках мысленных моделей Вселенной, начиная с Древних мифов. В мифологии практически любого народа значительное место занимают мифы о Вселенной - ее происхождении, сущности, структуре, взаимосвязях и возможных причинах конца . В большинстве древних мифов мир (Вселенная) не вечен, он создан высшими силами из некой первоосновы (субстанции), обычно из воды или из хаоса. Время в древних космогонических представлениях чаще всего циклично, т.е. события рождения, существования и гибели Вселенной следуют друг за другом по кругу, подобно всем объектам в природе. Вселенная представляет собой единое целое, все ее элементы связаны между собой, глубина этих связей различна вплоть до возможных взаимопревращений, события следуют друг за другом, сменяя друг друга (зима и лето, день и ночь). Этот мировой порядок противопоставляется хаосу. Пространство мира ограниченно. Высшие силы (иногда боги) выступают или творцами Вселенной или хранителями мирового порядка. Структура Вселенной в мифах предполагает многослойность: наряду с явленным (срединным) миром присутствуют верхний и нижний миры, ось Вселенной (часто в виде Мирового древа или горы), центр мира - место, наделенное особыми сакральными свойствами, существует связь между отдельными слоями мира. Существование мира мыслится регрессивно - от «золотого века» к упадку и гибели. Человек в древних мифах может быть аналогом всего Космоса (весь мир создан из гигантского существа, подобного человеку-великану), что укрепляет связь человека и Вселенной. В древних моделях человек никогда не занимает центрального места. В VI-V вв. до н.э. создаются первые натурфилософские модели Вселенной, наиболее разработанные в Древней Греции . Предельным понятием в этих моделях выступает Космос как единое целое, прекрасное и законосообразное. Вопрос, как образовался мир, дополняется вопросом, из чего устроен мир, как он изменяется. Ответы формулируются уже не образным, а абстрактным, философским языком. Время в моделях чаще всего носит еще циклический характер, но пространство - конечно. В качестве субстанции выступают как отдельные стихии (вода, воздух, огонь - в Милетской школе и у Гераклита), смесь стихий, так и единый, неделимый неподвижный Космос (у элеатов), онтологи- зированное число (у пифагорейцев), неделимые структурные единицы - атомы, обеспечивающие единство мира, - у Демокрита. Именно модель Вселенной Демокрита бесконечна в пространстве. Натурфилософы определяли статус космических объектов - звезд и планет, различия между ними, их роль и взаиморасполо- Жение во Вселенной. В большинстве моделей существенную роль играет движение. Космос построен по единому закону - Логосу, этому же закону подчинен и человек - микрокосм, уменьшенная копия Космоса. Развитие пифагорейских взглядов, геометризующих Космос и впервые четко представивших его в виде сферы, вращающейся вокруг центрального огня и им же окруженного, получило воплощение в поздних диалогах Платона. Логической вершиной взглядов античности на Космос долгие века считалась модель Аристотеля, математически обработанная Птолемеем. В несколько упрощенном виде эта модель, поддерживаемая авторитетом церкви, просуществовала около 2 тыс. лет. По Аристотелю, Вселенная: о есть всеобъемлющее целое, состоящее из совокупности всех воспринимаемых тел; о единственна в своем роде; о пространственно конечна, ограничена крайней небесной сферой, за ней же «нет ни пустоты, ни места»; о вечна, безначальна и бесконечна во времени. При этом Земля неподвижна и находится в центре Вселенной, земное и небесное (надлунное) абсолютно противоположны по своему физико-химическому составу и характеру движения. В X1V-XVI вв., в эпоху Возрождения, вновь возникают натурфилософские модели Вселенной. Они характеризуются, с одной стороны, возвращением к широте и философичности взглядов античности, а с другой - строгой логикой и математикой, унаследованной от Средневековья. В результате теоретических изысканий Николай Кузанский, Н. Коперник, Дж. Бруно предлагают модели Вселенной с бесконечным пространством, необратимым линейным временем, гелиоцентрической Солнечной системой и множеством миров, подобных ей. Г. Галилей, продолжая эту традицию, исследовал законы движения - свойство инерции и первым сознательно использовал мысленные модели (конструкты, позже ставшие основой теоретической физики), математический язык, который он считал универсальным языком Вселенной, сочетание эмпирических методов и теоретической гипотезы, которую опыт должен подтвердить или опровергнуть, и, наконец, астрономические наблюдения с помощью телескопа, значительно расширившие возможности науки. Г. Галилей, Р. Декарт, И. Кеплер заложили основы современных физических и космогонических представлений о мире, и на их базе и на базе открытых Ньютоном законов механики в конце XVII в. сложилась первая научная космологическая модель Вселенной, получившая название классической ньютоновской. Согласно этой модели, Вселенная: О статична (стационарна), т.е. в среднем неизменна во времени; О однородна - все точки ее равноправны; О изотропна - равноправны и все направления; о вечна и пространственно бесконечна, причем пространство и время абсолютны - не зависят друг от друга и от движущихся масс; О имеет отличную от нуля плотность материи; О имеет структуру, вполне постигаемую на языке наличной системы физического знания, что означает бесконечную экстраполиру- емость законов механики, закона всемирного тяготения, которые являются основными законами для движения всех космических тел. Кроме того, во Вселенной применим принцип дальнодействия, т.е. мгновенное распространение сигнала; единство Вселенной обеспечивается единой структурой - атомарным строением вещества. Эмпирической базой данной модели служили все полученные в астрономических наблюдениях данные, для их обработки использовался современный математический аппарат. Эта конструкция опиралась на детерминизм и материализм рационалистической философии Нового времени . Несмотря на обнаружившиеся противоречия (фотометрический и гравитационный парадоксы - следствия экстраполяции модели на бесконечность), мировоззренческая привлекательность и логическая непротиворечивость, а также эвристический потенциал делали ньютоновскую модель единственно приемлемой для космологов вплоть до XX в. К необходимости пересмотра взглядов на Вселенную подтолкнули многочисленные открытия, сделанные в XIX и XX вв.: наличие давления света, делимость атома, дефект масс, модель строения атома, неплоские геометрии Римана и Лобачевского, однако только с появлением теории относительности стала возможной новая квантово-релятивистская модель Вселенной. Из уравнений специальной (СТО, 1905 г.) и общей (ОТО, 1916 г.) теории относительности А. Эйнштейна следует, что пространство и время связаны между собой в единую метрику, зависят от движущейся материи: при скоростях, близких к скоррсти света, пространство сжимается, время растягивается, а вблизи компактных мощных масс пространство-время искривляется, тем самым модель Вселенной геометризируется. Были даже попытки представить всю Вселенную как искривленное пространство-время, узлы и дефекты которого интерпретировались как массы. Эйнштейн, решая уравнения для Вселенной, получил модель, ограниченную в пространстве и стационарную. Но для сохранения стационарности ему потребовалось ввести в решение дополнительный лямбда-член, эмпирически ничем не подкрепленный, по своему действию эквивалентный полю, противостоящему гравитации на космологических расстояниях. Однако в 1922-1924 гг. А.А. Фридман предложил иное решение этих уравнений, из которого вытекала возможность получения трех различных моделей Вселенной в зависимости от плотности материи, но все три модели были нестационарными (эволюционирующими) - модель с расширением, сменяющимся сжатием, осциллирующая модель и модель с бесконечным расширением. В то время отказ от стационарности Вселенной был поистине революционным шагом и воспринимался учеными с большим трудом, так как казался противоречащим всем устоявшимся научным и философским взглядам на природу, неизбежно ведущим к креацианизму . Первое экспериментальное подтверждение нестационарное™ Вселенной было получено в 1929 г. - Хаббл открыл красное смещение в спектрах удаленных галактик, что, согласно эффекту Доплера, свидетельствовало о расширении Вселенной (такую интерпретацию разделяли тогда далеко не все космологи). В 1932- 1933 гг. бельгийский теоретик Ж. Леметр предложил модель Вселенной с «горячим началом», так называемым «Большим взрывом». Но еще в 1940-е и в 1950-е гг. предлагались альтернативные модели (с рождением частиц из с-поля, из вакуума), сохраняющие стационарность Вселенной. В 1964 г. американские ученые - астрофизик А. Пензиас и радиоастроном К. Вильсон обнаружили однородное изотропное реликтовое излучение, явно свидетельствующее о «горячем начале» Вселенной. Эта модель стала доминирующей, была признана большинством космологов. Однако сама эта точка «начала», точка сингулярности рождала множество проблем и споров как по поводу механизма «Большого взрыва», так и потому, что поведение системы (Вселенной) вблизи нее не удавалось описать в рамках известных научных теорий (бесконечно большие температура и плотность должны были сочетаться с бесконечно малыми размерами) . В XX в. выдвигалось множество моделей Вселенной - от тех, которые отвергали в качестве основы теорию относительности, до тех, которые изменяли в базовой модели какой-либо фактор, например «сотовое строение Вселенной» или теория струн. Так, для снятия противоречий, связанных с сингулярностью, в 1980-1982 гг. американский астроном П. Стейнхарт и советский астрофизик А. Линде предложили модификацию модели расширяющейся Вселенной - модель с инфляционной фазой (модель «раздувающейся Вселенной»), в которой первые мгновения после «Большого взрыва» получали новую интерпретацию. Эту модель продолжали дорабатывать и позже, она снимала ряд существенных проблем и противоречий космологии . Исследования не прекращаются и в наши дни: выдвинутая группой японских ученых гипотеза о происхождении первичных магнитных полей хорошо согласуется с описанной выше моделью и позволяет надеяться получить новые знания о ранних стадиях существования Вселенной. Как объект исследования Вселенная слишком сложна, чтобы изучать ее дедуктивно, возможность продвигаться вперед в ее познании дают именно методы экстраполяции и моделирования. Однако эти методы требуют точного соблюдения всех процедур (от постановки проблемы, выбора параметров, степени подобия модели и оригинала до интерпретации полученных результатов), и даже при идеальном выполнении всех требований результаты исследований будут носить принципиально вероятностный характер. Математизация знаний, значительно усиливающая эвристические возможности многих методов, является общей тенденцией науки XX в. Не стала исключением и космология: возникла разновидность мысленного моделирования - математическое моделирование, метод математической гипотезы. Сущность его в том, что сначала решаются уравнения, а затем подыскивается физическая интерпретация полученных решений. Данный порядок действий, не характерный для науки прошлого, обладает колоссальным эв ристическим потенциалом. Именно этот метод привел Фридмана к созданию модели расширяющейся Вселенной, именно таким путем был открыт позитрон и совершено еще много важных открытий в науке конца XX в. Компьютерные модели, в том числе и при моделировании Вселенной, рождены развитием компьютерной техники. На их основе доработаны модели Вселенной с инфляционной фазой; в начале XXI в. обработаны большие массивы информации, полученные с космического зонда, и создана модель развития Вселенной с учетом «темной материи» и «темной энергии». Со временем изменялась трактовка многих фундаментальных понятий. Физический вакуум понимается уже не как пустота, не как эфир, а как сложное состояние с потенциальным (виртуальным) содержанием материи и энергии. При этом обнаружено, что известные современной науке космические тела и поля составляют незначительный процент массы Вселенной, а большая часть массы заключена в косвенно обнаруживающих себя «темной материи» и «темной энергии». Исследования последних лет показали, что значительная часть этой энергии действует на расширение, растягивание, разрывание Вселенной, что может привести к фиксируемому ускорению расширения }
Загрузка...