Современные теории происхождения мира.

Вопрос о происхождении Вселенной немного схож с самой древней проблемой: что появилось сначала – курица или яйцо? Другими словами, какая сила создала Вселенную, что создало эту силу? Или, возможно, Вселенная или создавшая ее сила существовали всегда и не нуждались в создании? До недавнего времени ученые сторонились этих вопросов, чувствуя, что они относятся скорее к метафизике или религии, чем к науке. Однако в последние годы получилось так, что научные законы могут охватить даже возникновение Вселенной.[1]

Рассмотрим и научную космологическую модель Вселенной, разработанную в настоящий момент на основании достижений физики, астрономии и астрофизики. Опираться здесь будем на знаменитые популяризаторские естественнонаучные работы космолога Стивена Хокинга.[2] Успехи физики и космологии начала двадцатого столетия имели два существенных для нас результата. Первый состоит в том, что в рамках космологии была осмыслена эволюция физической Вселенной, которая поставила ученых перед необходимостью признать факт «начала» этой эволюции, дав ему удовлетворительное физическое объяснение. Здесь важно отметить, что именно эволюционность Вселенной объективно подталкивала исследователей искать такую «формулу» эволюции, которая учитывала бы буквально все, в том числе и жизнь и существование человека. А. Линде прямо говорит о возможной зависимости решения фундаментальных физико-космологических проблем от объяснения самого факта жизни[3]; не решив проблему жизни, нельзя получить и «формулы». Кроме того, эволюция имеет стадиальность, и поэтому, когда идея эволюционирующей Вселенной прочно утвердилась в космологии, она уже неявно предполагала вопрос об отношении человека (наблюдателя, физика) к тому, что эволюционирует, а, с другой стороны, - осознание места наблюдателя в эволюционирующей Вселенной. И здесь мы видим, что в совершенно отличных, на первый взгляд, от античности условиях возникает аналогичная ситуация. Как и в платоновской космологии, с одной стороны, признается начало Космоса-Вселенной, а с другой – появляется задача соотнести (соразмерить) свойства человека, свойства Космоса и это начало.[4]

В XIX веке стали накапливаться свидетельства, что Земля и остальная Вселенная в действительности со временем изменяются. Геологи поняли, что формации скал и окаменелости насчитывают сотни и тысячи миллионов лет. Дальнейшие свидетельства поступили от так называемого второго закона термодинамики, сформулированного немецким физиком Людвигом Больцманом. Этот закон утверждает, что общее количество беспорядка во Вселенной (эту величину называют энтропией) со временем только возрастает. Это, как и аргумент насчет прогресса человечества, предполагает, что Вселенная развивается лишь какое-то конечное время. Иначе она бы уже деградировала до состояния полного беспорядка, где все имело бы одну и ту же температуру. Учитывая все проблемы в идее о статической и неизменной Вселенной, никто в XVII, XVIII, XIX и начале XX века не предполагал, что со временем она может получить свое развитие. И Ньютон и Эйнштейн упустили шанс предсказать, что Вселенная должна или сжиматься, пли расширяться.[5]

Теория большого взрыва и распада Вселенной явилась результатом общей теории относительности Эйнштейна. Однако сам Эйнштейн внес математическую поправку в свою теорию, чтобы не допустить неминуемого вывода о том, что «вселенная не статична», так как и математические, и логические теоремы приводили к такому выводу. Эйнштейн был слишком глубоко укоренен в статическом воззрении XIX веке на незыблемость мира и на стабильность вселенной, чтобы согласиться со своими собственными выводами. К такому результату пришел, однако, в 1922 году, вскоре после опубликования теории относительности (1915 г.), не сам Эйнштейн, а русский ученый, физик и математик, Александр Фридман. Фридман сделал относительно Вселенной два очень простых предположения: что она одинаково выглядит, в каком бы направлении мы ни смотрели, и что данное положение верно, независимо от того, из какой точки Вселенной мы смотрим. Опираясь на эти две идеи и решив уравнения общей теории относительности, он доказал, что Вселенная не может быть статической. Выводы Фридмана были чисто теоретические.[6]

В 1929 г. последовало экспериментальное подтверждение всеобщего разбегания галактик американским астрономом Э. Хабблом. Было установлено, что в спектрах далеких галактик линии, соответствующие сине-зеленой части спектра, смещаются в красную область, а в видимой части спектра наблюдаются линии, которые в обычных лабораторных условиях лежат в ультрафиолетовой области. Это так называемое «красное смещение» спектральных линий можно объяснить только эффектом Доплера: если светящийся объект удаляется от нас, то линии излучаемого им спектра смещаются в сторону инфракрасного конца спектра. Чем быстрее движется от нас источник, тем дальше в красную сторону сдвинуты его спектральные линии. Таким образом, теоретически предсказанная расширяющаяся Вселенная стала экспериментальным фактом. Закон Хаббла предсказывается теорией расширяющейся Вселенной, а попытки объяснить «красное смещение» другими эффектами (например, «старением» световых квантов) потерпели неудачу.[7] Позднее вычисления Фридмана и факт «взрыва» вселенной были подтверждены на деле... ядерной бомбой!

Независимо от Хаббла пришел к тому же выводу другой русский ученый, ученик Фридмана Георгий Гамов. Гамов в 1946 г. предложил так называемую «горячую модель» вселенной. Вместе с Р. Альфером и Р. Германом он исследовал ядерные реакции, протекающие в ходе расширения горячего вещества и приводящие к постепенному образованию химических элементов тяжелее водорода. В работе авторы сделали замечательное предсказание, что излучение (в форме фотонов), возникшее на начальных, горячих стадиях развития Вселенной, должно сохраниться до наших дней, но его температура должна быть всего на несколько градусов выше абсолютного нуля.[8] Это открытие в 1965 г. космического реликтового излучения, которому соответствовала температура 2,7 по Кельвину. Это излучение можно считать реликтовым свидетельством вполне специфического состояния вещей, имевшего место в продолжение второй и третьей минуты после начала наблюдающегося расширения вселенной. За последние двадцать лет наука продвинулась далеко в пределы первых двухсот секунд, в течение которых должен был осуществиться синтез водорода, дейтерия, трития и гелия. Сегодня исследуются процессы, происходившие в промежуток времени, по сравнению с которым миллиардная, триллионная и даже квадрилионная доля секунды должны казаться вечностью.[9] Космологическая теория расширяющейся Вселенной, выдержав испытание временем (около 70 лет) и подтвержденная наблюдениями, удовлетворительно описывает видимую Вселенную.

В последние десятилетия новые открытия в области физики самым тесным образом связаны с космологией, прежде всего, с исследованием самых ранних этапов эволюции вселенной. Тем не менее, в 1992 г. состоялась специальная экспедиция с запуском космического спутника под руководством ученого Смута, под названием COBE (Cosmic Background Explorer (изучение космического фона»), которая полностью подтвердила теоретические выводы. Ей удалось увидеть и услышать весь космос в момент вскоре после Большого взрыва при помощи специальных электронных накладок, которые уловили электромагнитный шум реликтового радиоизлучения вселенной в ее «младенческом» состоянии сразу после взрыва. Эти сигналы, пройдя весь долгий путь развития и истории вселенной на расстоянии огромного количества световых лет, показали нам то, что было тогда. Эту возможность дала нам всеобщая теория относительности Альберта Эйнштейна и его знаменитая формула E=mc². Это достижение полностью подтвердило все теоретические выкладки современных ученых о возникновении и развитии нашей теперешней вселенной, все еще расширяющейся и распадающейся в результате Взрыва.[10]

Что говорит эта теория о прошлом Вселенной? Выводы, относящиеся к прошлому, однозначны. В настоящее время происходит расширение Вселенной, следовательно, раньше радиус Вселенной был меньше, а плотность вещества - больше. Был момент начала возникновения Вселенной, когда плотность была бесконечной, и можно оценить время, прошедшее с начала мира до настоящего времени. Оно равно 10 – 20 миллиардам лет. Таков примерный возраст Вселенной, оцененный еще Фридманом в 1922 г. Эта оценка совпадает с экспериментальным определением возраста галактик. По последним сведениям, во Вселенной нет звезд с возрастом более 15 – 20 миллиардов лет.

Выводы из этой модели Фридмана относительно будущего расширяющейся Вселенной зависят только от настоящего значения постоянной Хаббла, обратная величина которой есть время, и от средней плотности вещества во Вселенной. Теоретически существует некая критическая плотность материи, которая служит критерием геометрического строения Вселенной и ее будущности. Если действительная плотность меньше критической, то тяготение не сможет остановить расширения и радиус Вселенной будет неограниченно расти. В этом случае начальная скорость разлета велика, Вселенная бесконечна и расширение никогда не прекратится. Когда реальная плотность больше критической, то начальная скорость разлета вещества не слишком велика, а притяжение велико. Тогда расширение Вселенной должно смениться сжатием, а вместо "красного смещения" спектральных линий должно будет наблюдаться "фиолетовое смещение". Оценка фактической плотности Вселенной очень трудна, так как сюда должны входить данные о плотности всех видов материи. К ним относятся: массы звезд, плотность пыли и частиц в межзвездном пространстве, различные виды излучений. Кроме того, по-видимому, надо учитывать и массы "черных дыр". Пока оценки средней плотности Вселенной колеблются в широких пределах и в настоящий момент мы не знаем, по какому типу модели Фридмана развивается Вселенная. В рамках модели расширяющейся Вселенной существует несколько моделей "молодой и горячей" Вселенной, которые рассматривают эволюцию материи, начиная с самых ранних этапов ее развития. В основу их положена модель Г. Гамова, которая позволяет непосредственно связать космологию и физику элементарных частиц. Элементарные частицы при определенных значениях температуры и плотности имели соответствующие энергии и взаимодействия, а их превращения определяли состав материи Вселенной.[11]

Таким образом, физика и космология все ближе подходят к началу вселенной, без надежды, однако, когда-либо включить это начало в структуру своего знания. Между тем, в популярных изданиях, пишет Яки, без всякого на то основания появляется слово «создание», вводящее в заблуждение и вызывающее озабоченность.[12] Гамов попытался устранить эти недоразумения, сопроводив название своей книги «Создание вселенной» предостережением, гласящим, что слово «создание» означает не более чем изготовление чего-то стройного из бесформенного, то есть Гамов прибегнул к понятию («бесформенное»), которому нет места в физике, физика может иметь дело лишь с формами, или количественными характеристиками.

В сущности, мы могли бы перефразировать первые три стиха книги Бытие следующим образом, дабы привести их в соответствие с научным представлением о начале Вселенной: «В самом начале, пятнадцать миллиардов лет назад, Вселенная представляла собой лишенное структуры космическое яйцо, которое взорвалось с высвобождением огромного количества энергии». Наряду с тем, что Большой Взрыв и расширение Вселенной олицетворяют мощный сдвиг в сторону беспорядка, существует возможность и локальных сдвигов в сторону упорядочения. Именно этим объясняется возникновение галактик, а внутри них – отдельных звезд, включая наше Солнце. Вместе с Солнцем может образоваться планета Земля, а на этой планете возрастание сложности организации вещества и дальнейшее ее упорядочение может привести к зарождению жизни и дальнейшей эволюции живой материи.