Реферат
«Космологічні та космогонічні концепції природознавства»
Всесвіт як поняття і об'єкт пізнання
Хотілося б перш звернутися до поняття «Всесвіт». Вже зазначалося, що це і «універсум», і місце «вселення» людини. В англійській мові слово «Всесвіт» (Universe) має ту ж етимологію, що і «єдність» (unity) або «одиниця» (one). Буквально воно означає єдність, спільність всіх речей, розглянутих як ціле. Цікаво, що слово «цілий» (whole) має один корінь зі словом «святий» (holy), що відображає, як пише про це один із найвідоміших сучасних популязаторов науки англієць Поль Девіс, глибоко таємничі і метафізичні зв'язку, з якими має справу космологія. Аж до XX століття пізнання Всесвіту як цілого було прерогативою релігії.
Багато ранніх традицій, релігії (іудейська, християнська та ісламська) вважали, що Всесвіт створився досить недавно. Наприклад, у 1658 р. архієпископ Джеймс Ушер з Англіканської церкви обчислив, що 8 годин ранку 22 жовтня 4004 до н. е.. - Точна дата створення Всесвіту. Він прийшов до цієї дати, складаючи вік людей і подій, згаданих у Старому Завіті (часи правління царів, період від Виходу євреїв з Єгипту до посвячення храму Соломона, часи патріархів, народжених до і після Великого потопу). Батьки і теологи Грецької православної церкви відносять цю дату до 5508 р. до нашої ери. У такому випадку дві останні дати біблійного створення Всесвіту не так далекі від дати кінця останнього льодовикового періоду, коли з'явилася перша сучасна людина. Перші сумніви в цих датах були науково обгрунтовані в 1785 р. шотландським натуралістом Джеймсом Хаттоном у книзі «Теорія Землі» і в 30-х рр.. XIX ст. видатним англійським геологом Чарльзом Лайєлем (почитавшимся самим Чарлзом Дарвіном) в тритомній трактаті «Принципи геології» (з того часу, до речі, ведеться відлік існування самої геології).
З іншого боку, Геракліт, Аристотель, Декарт, Галілей, Ньютон не визнавали ідею про те, що Всесвіт мав початок. Вони відчували, що це могло б мати місце і час, але вважали, що Всесвіт існував завжди і буде існувати завжди, тобто вічно і нескінченно. Інакше думав великий німецький філософ і космолог Іммануїл Кант (автор першої в історії небулярной, тобто з туманності, гіпотези утворення Сонячної системи), коли говорив, що існують дві однаково правильних доводу, обидва прийнятих на віру: один, що Всесвіт мав початок , і другий, що його не було. І доводи вони грунтуються не на спостереженнях Всесвіту, оскільки вона, по суті, не змінюється в часі, навряд чи становить інтерес для спостережень. Таким чином, перед ученими вставала проблема вибору між вірою в Бога і матеріальної вірою.
Ці та інші банальні міркування про Всесвіт відтіснили на другий план, мабуть, самий сакраментальний питання космології - чи має поняття Всесвіту взагалі сенс? Чи можна розглядати все, що існує як якесь єдине ціле? На цей глибокий філософський і натурфілософські питання може бути дана тільки експериментальний відповідь, що вперше був отриманий при спостереженні падіння тіл з Пізанської вежі Г. Галілеєм (це скоріше легенда, але красива легенда), в конкретних земних умовах, в дуже обмеженій області простору. Повторити досліди Галілея де-небудь ще у Всесвіті нам навряд чи вдасться (принаймні, в найближчому майбутньому). Звідси виникає дуже принципове питання: наскільки застосовні наукові висновки до Всесвіту як цілого?
На практиці в космології вдаються до екстраполяції, тобто до перенесення законів, виведених із спостережень, експериментів та узагальнень над окремими частинами Всесвіту, за межі цих частин, перенесення їх до всього Всесвіту в цілому. Чому ми впевнені в правильності такої екстраполяції?
Універсальність фізичних систем вселяє в нас цю впевненість. Дійсно, ми переконуємося з спостережень, що зірки дуже схожі на наше Сонце, інші галактики нагадують нам нашу Галактику (Чумацький Шлях) як за розмірами, так і за структурою, хоча, звичайно, не всі галактики виявляються спіральними, як наша Галактика. Віддалені від нас космічні об'єкти складаються з тих самих атомів, що і наша планета Земля і Сонячна система; зовсім не відрізняються один від одного атоми в будь-якій частині Всесвіту. Астрофізики вважають, що процеси в самих віддалених областях космосу і в ближньому космосі ідентичні, а відбуваються взаємодії універсальні, що підтверджується експериментально, за спектрами, наприклад, електромагнітних хвиль в оптичному, рентгенівському, гамма-діапазоні і діапазоні радіохвиль.
Проникаючи в космос усе далі й далі (на початок XXI століття - до відстаней в 13,7 млрд. світлових років, майже до Космологічного Обрію), ми бачимо практично одне і те ж, з невеликими відхиленнями. Можна погодитися з тим, що це і дивно і не так вже ясно. Ще з античних часів люди вважали, що Земля - центр світобудови (і всі релігії з цим охоче погоджувалися), унікальний за своїм розташуванням і формою. Ці уявлення зруйнували поляк Микола Коперник і італієць Джордано Бруно: Земля - типова планета в типовій галактиці, розташована в типовій області Всесвіту, і, взагалі, Всесвіт складається з величезного числа більш-менш типових областей або структур космосу.
Найважливіший «космологічний принцип» полягає в тому, що ближній космос - типовий зразок Всесвіту в цілому, так що фундаментальною рисою Всесвіту є однаковість її областей і напрямків. Сучасна астрофізика та космологія дають нам картину однорідної, ізотропної, самоузгодженої і регулярної у великих масштабах Всесвіту. Ось ці зазначені обставини, ці особливості і дозволяють розцінювати Всесвіт як єдине ціле.
Планети, зірки, галактики та їх структури у Всесвіті
Як же виглядає Всесвіт зараз? Практично все видиме речовина укладено в галактиках - гравітацією зоряних системах розмірами в десятки і сотні тисяч світлових років (5-50 кпк, де кпк - кілопарсек, парсек дорівнює близько 3,26 світлових року або 1013 км), що містять від 106 до 1013 зірочок (в середньому близько 100 млрд. зірок), а також хмари газу і пилу. Сучасної астрономії є для вивчення більше 10 млрд. галактик. Галактики об'єднуються в групи галактик (з числом менше 100 галактик), скупчення і сверхскопленія. Зустрічаються також поодинокі, подвійні і кратні галактики. Середні відстані між галактиками в групах (наприклад, наша Галактика знаходиться в Місцевої групі галактик) і в скупченнях становлять 100-500 кпк, що в 10-20 разів більше розмірів найбільших галактик. Відстані між поодинокими, кратними системами і групами галактик становлять 1-2 Мпк (Мпк - мегапарсек). Таким чином, галактики заповнюють всередині галактичний простір з більшою відносною щільністю, ніж зірки, так як відстані між зірками в середньому в 20 мільйонів разів більше їх діаметрів.
Надскупчення або суперкомплекси галактик - найбільші неоднорідності у Всесвіті, розташовані зазвичай у вузлах її комірчастої великомасштабної структури, в яких сходяться по кілька ланцюжків сверхскоплений галактик. Їх розмір може досягати близько десятковсотні мільйонів світлових років (15-80 Мпк). У масштабах багатьох сотень мільйонів і мільярдів світлових років Всесвіт ячеисто-однорідна. Середні відстані між надскупченнями складають сотні мегапарсек; на сьогоднішній день відомо близько 50 сверхскоплений. Надскупчення, до якого входить і наша Галактика, має розмір близько 60 Мпк і містить близько двадцяти тисяч галактик (виключаючи карликові). Наступний структурний елемент галактик - скупчення галактик, щільні супергалактіческіе освіти, в яких виділяють, крім власне галактик, ще дифузну компоненту - гарячий іонізований газ і невидима речовина, або так звану приховану масу. Розміри скупчень галактик - від 1,5 до 3 Мпк - відповідають розмірам первинних неоднорідностей, здатних еволюціонувати в космічні об'єкти згідно існуючим теоріям. Скупчення галактик містять від сотень до десятків тисяч галактик. Відстані між скупченнями - десятки мегапарсек. Крім галактик, у Всесвіті є рівномірно заповнює її реліктове електромагнітне випромінювання, невелика кількість дуже розрідженого міжгалактичного звичайної речовини і невідома кількість поки не піддається спостереженню, але яка проявляє себе в деяких гравітаційних ефекти субстанції, званої прихованої масою і прихованої енергією. Їх частка в космосі зараз оцінюється в 95-97%.
Основний елемент Всесвіту - галактика. Основний елемент галактики - зірка - масивний щільний газовий (точніше, плазмовий) дуже гарячий куля (з температурами всередині до мільярдів градусів), що випромінює в навколишній простір величезну енергію в основному у вигляді електромагнітного випромінювання. У всіх галактиках більша частина речовини укладена в зірках - у найбільших, так званих еліптичних, галактиках на зірки припадає понад 95 відсотків маси. У спіральних галактиках, таких, як наша (точніше, Чумацький шлях є типовим представником спіральних галактик з перемичкою, або пересічених галактик - клас SB), частка газу і пилу значно більше 5%, але все-таки набагато менше, ніж частка зірок.
Початок космології, фрідмановскіе космологічні моделі, розбігання галактик і розширення Всесвіту
Вивчення складу близьких до нас галактик показало, що вони, як і наша Галактика, складаються з таких же об'єктів - зірок, зоряних скупчень, туманностей. Це підтверджує висновок, що в «малих» масштабах фізичні закони, що керують розвитком зірок і зоряних систем, в що спостерігається частини Всесвіту однакові. До того ж, на кожному етапі свого розвитку, наука просто не може обійтися без певних «робочих» моделей (які завжди підлягають уточненню та замін), незалежно від того, чи йде мова про Всесвіт, квазарах або звичайних зірках.
Загальні закономірності розвитку та структури Всесвіту вивчаються шляхом побудови космологічних моделей. Це робиться на підставі загальної теорії відносності, створеної Ейнштейном в 1915 р., основні принципи (постулати) і положення. Втім, пізніше було встановлено, що основні характеристики космологічних моделей можна отримати, виходячи з ньютоново класичних уявлень (це в наш час показали космологи Е. Мілн і В. Маккрі).
Побудувати або створити космологічну модель Всесвіту, вважаючи, що це якийсь геометричне розмірне простір, - означає отримати залежність для так званого масштабного фактора від часу, тобто з'ясувати, як залежить від часу відстань (масштаб) між двома його точками (наприклад, між галактиками). При постановці цієї задачі зазвичай виходять з припущення, що властивості Всесвіту для кожного заданого моменту часу однакові у всіх її точках (властивість однорідності простору) і у всіх напрямках (властивість изотропии простору). Цей космологічний принцип однорідності і изотропии Всесвіту підтверджується спостереженнями: у надвеликих масштабах у розподілі сверхскоплений галактик і справді не виявлено відхилень від однорідності і изотропии.
Отже, на початку минулого століття, після того як Ейнштейн створив теорію тяжіння, народилася сучасна космологія, першим автором якої беззастережно визнається наш великий співвітчизник Олександр Олександрович Фрідман (1888-1925), а дата відлічується від часу публікації першої статті Фрідмана «Про кривизні простору» в 1922 році. У статтях (1922-1924) рр.. Фрідманом була показано, що спостережувана Всесвіт у принципі не може бути стаціонарним - складова її матерія при нескінченному часу існування повинна була або розлетітися, або зібратися в одному місці. Цей висновок був отриманий в науці так пізно тільки через глибоку підсвідомої впевненості всіх дослідників у «незмінності» існуючого світу (як вже зазначалося, всі великі вчені минулого - Арістотель, Ньютон, навіть Ейнштейн, який спочатку не визнав роботу Фрідмана, вірили в стаціонарність світу). У цьому були переконані і матеріалісти, що заперечували акт творіння, і віруючі, вважали, що світ був створений Богом, але таке переконання не було засновано на фактах.
Темп видалення галактик одна від одної, як показує рішення Фрідмана, може змінюватися з плином часу (правда, помітити це на наших «земних» проміжках часу практично неможливо, помітна зміна швидкості розбігання галактик відбувається за мільярди років). Можливі кілька варіантів моделей розширення Всесвіту, але поки представимо три найбільш характерних варіанти розширення Всесвіту.
Перші дві моделі описують необмежену в часі розширення Всесвіту, і різниця між ними в назві кривих, якими описуються закони цих розширень: перша - гіпербола, друга - парабола. Третя модель розширення відповідає циклоїді. Ці варіанти еволюції Всесвіту обумовлені співвідношенням між середньою щільністю Всесвіту 'р і деякої критичної щільністю р яка вперше була визначена Фрідманом. Якщо р <р кр, то розширення йде за законом, описуваному гіперболою, якщо р = р кр, отримаємо параболу, і якщо р> р кр, то процес розширення колись (через два - три десятки мільярдів років) зміниться стисканням, це описується циклоїдою. Як помічаємо, фундаментальне значення мають дві величини - середня щільність Всесвіту р і якась критична щільність р кр. Як показали численні вимірювання внутрішньо-і міжгалактичної щільності, середня щільність р = 10 -30 г/см3. Що стосується критичної щільності р кр, то ми до неї повернемося після висвітлення історії експериментального відкриття розширення Всесвіту в 1929 році Едвіном Хабблом. Найбільш повно характерні космологічні моделі, які в різний час пропонувалися для пояснення властивостей нашого Всесвіту, представлені нижче:
Пульсуюча модель. У цій моделі в деякий «нульовий» момент космологічного часу масштабний фактор дорівнює нулю, тобто Всесвіт представляє собою деяку сингулярна крапку. З нульового моменту він починає зростати, досягає максимального значення і знову зменшується до нуля. Так само змінюється і відстань між галактиками у Всесвіті, що відповідає цій моделі.
Закрита модель: масштабний фактор збільшується від нуля до певного максимального значення, що досягається в нескінченно віддаленому майбутньому.
Модель Леметра: масштабний фактор збільшується від нуля необмежено, проте впродовж довгого часу він залишається майже постійним.
Модель Ейнштейна - де Ситтера: почалося одного разу розширення продовжується необмежено (це розширення відбувається з уповільненням).
Замкнута Всесвіт, у якій можливі ще два інших варіанти еволюції Всесвіту: а) «стаціонарний світ» Ейнштейна і б) модель Еддінгтона - Леметра, масштабний фактор якої дорівнює певному кінцевому значенню в нескінченно віддаленому минулому і необмежено зростає в майбутньому.
І, нарешті, відзначимо ще так звану модель де Ситтера: в даному випадку масштабний фактор є експоненційної функцією часу. Ця модель «стаціонарного Всесвіту», в якій, незважаючи на розширення, щільність підтримується постійною за рахунок безперервного «творіння» речовини з особливого «енергетичного поля». Ця модель багато років розвивалася англійською астрофізиком Фредом Хойлом.
Теоретично, на підставі рівнянь теорії Ейнштейна, можна побудувати близько двох десятків моделей Всесвіту, але яка ж насправді з моделей реалізується, астрофізикам поки не вдалося з'ясувати. Але історія цього питання вже майже столітня за часом. У 1912 р. американський астроном Замість Слайфер почав вимірювати променеві швидкості спіральних туманностей, керуючись такими міркуваннями. Якщо ці туманності знаходяться за межами Галактики, то вони не беруть участі в її обертанні, а тому їх променеві швидкості будуть свідчити про рух Сонця в Галактиці. Протягом декількох років Слайфер і теж американським астрономом Едвіном Хабблом, які проводили незалежні вимірювання, були отримані спектри 41 об'єкта. Виявилося, що в 36 випадках лінії в спектрах туманностей зміщені в червону сторону.
Уявлялося найбільш природним (це була думка Хаббла) пояснити цей зсув ефектом Доплера - рухом туманностей від спостерігача. У самому справі, в даному випадку відношення приросту довжини хвилі до самої довжині хвилі пов'язано зі швидкістю руху туманності. Отже, туманності віддаляються від спостерігача і їх швидкості, вимірювані тисячами і десятками тисяч км / с, значно перевищують швидкість Сонця навколо центру Галактики, рівну всього 250 км / с. Хоча цей факт спостерігають астрономи на нашій Землі, в нашій Сонячній системі, в нашій Галактиці, але це зовсім не означає, що ми розташовані в центрі Всесвіту - від будь-якої іншої точки Всесвіту галактики розбігаються точно так само. Розбігання - результат загального розширення Всесвіту. Переконатися в цьому можна на досить простому прикладі. Візьмемо гумову нитку і зав'яжемо на ній вузли. Растянем нитку вдвічі. У результаті цього і відстані між кожними з'єднаними вузлами також збільшиться удвічі. При цьому кожен з вузлів є рівноправним, і по відношенню до нього швидкість інших вузлів при розтягуванні нитки була б тим більше, чим далі вони перебували б один від одного. Інший приклад - з роздувається гумовим кулькою, на поверхню якого рівномірно нанесені виділяються на його тлі точки. При розростанні обсягу кульки швидкість розбігання крапок один від одного буде тим більше, чим більше між ними відстань. До речі, на поверхні такої кульки, як моделі Всесвіту, неможливо знайти і центр, його просто немає. Аналогічним чином веде себе і світ галактик. Різниця лише в тому, що він тривимірний, тоді як нитка або поверхню кульки має всього одне або два виміри.
Тепер можна знову повернутися до можливого сценарію подальшої долі нашого Всесвіту, яка залежить від величини середньої щільності речовини у Всесвіті і яку виявилося можливим оцінити після відкриття Хабблом закону розбігання галактик. Їм був встановлений такий закон, що зв'язує швидкості і відстані між галактиками: v = HR. У цьому законі і - швидкість розбігання галактик, R - відстань між галактиками, коефіцієнт пропорційності між ними Н прийнято називати постійною Хаббла. Її сучасне середнє значення Н = 65 км / с / Мпк. Чисельна величина сталої Хаббла має принципове значення для визначення критичної щільності речовини і при зазначеній вище величиною вона виявляється рівною
Бачимо, що середня щільність речовини у Всесвіті чисельно менше критичної, так що, якщо б не існувало ніяких не виявлених форм матерії у Всесвіті, а про них ми сьогодні говоримо, тоді «наш сценарій» еволюції Всесвіту визначався б гіперболою, тобто Всесвіт розширювалася б необмежено довго. Але зараз слід утриматися від таких категоричних заяв.
Парадокс червоного зсуву. Протягом кількох десятиліть у другій половині XX століття деякі астрономи і фізики прагнули знайти якесь інше пояснення червоного зсуву. Зокрема, вони вбачали в цьому прояв якихось ще невідомих сьогодні закономірностей. Так, батько антисвіту Поль Дірак припустив, наприклад, що ефект червоного зсуву міг би мати місце, якщо б у Всесвіті існувало вікове зміна абсолютну тривалість одиниці часу. Мова йде, звичайно, не про зміну тривалості звичної для нас секунди, пов'язаної зі швидкістю обертання Землі навколо своєї осі. Мається на увазі зміна ритму всіх процесів у Всесвіті - швидкостей термоядерних реакції в зірках, радіоактивного розпаду і т. д. Червоне зміщення у спектрах галактик могло б мати місце і при зміні з часом величини швидкості світла, а також при зменшенні енергії кванта в процесі його подорожі в міжгалактичному просторі. Але якщо енергія кванта в процесі цього руху не передається нічому, то її зменшення (збільшення довжини хвилі) може мати місце лише при порушенні закону збереження енергії. Якщо ж квант втрачає частину своєї енергії, передаючи її іншим фотонам або часткам середовища, то при цьому акті напрямок його руху зміниться. Тому зображення інших галактик повинні бути тоді розмитими (розпливчастими), і тим більш розмитими, чим далі ця галактика знаходиться. Насправді ж зображення як близьких, так і далеких галактик досить чіткі. Тому гіпотеза «старіння квантів» була відкинута (згадаємо, що, згідно Поппера, наука це виняток фальшивих гіпотез). Згадані дві інші можливості (зміна ритму часу або швидкості світла) взагалі не можуть бути проаналізовані серйозно в рамках сьогоднішньої теоретичної фізики. Що є або що таке час? Чому швидкість світла у вакуумі є постійною і максимальною з усіх можливих? Чи існує яка-небудь зв'язок між гравітацією і електромагнітними властивостями речовини? Це всі глобальні проблеми сучасності. Всі вони, очевидно, будуть вирішені лише в майбутніх, більш досконалих теоріях простору, часу і взаємодій.
Сьогодні «розбігання» галактик приймається як реальний факт. На цій основі можна побудувати загальну картину розвитку спостережуваного Всесвіту. Величезна більшість галактик світить настільки слабко, тобто вони такі далекі, що ніяких окремих об'єктів у них розрізнити не можна. Але спостереження показують, що збільшення червоного зсуву галактик супроводжується зменшенням їх яскравості. Це є доказом того, що насправді відбувається розширення спостерігається нами Всесвіту. Але тут мова йде, скоріше, не про рух галактик у просторі, а про розширення, творінні самого простору. Відстані до галактик вимірюються мільйонами і мільярдами світлових років. Це значить, що ми бачимо їх не такими, якими вони є зараз, а якими вони були мільйони і мільярди років тому. Заглиблюючись все далі і далі в простір Всесвіту, астрономи тим самим зустрічаються з усе більш і більш молодими об'єктами! Ми тим самим, по суті, бачимо минуле речовини, минулі епохи Всесвіту.
Парадокси розширення Всесвіту. Парадоксальним є, перш за все, саме червоне зміщення, так як його космологічна природа не настільки очевидна, якою вона представляється в земних умовах. Вище вказувалися можливі причини пояснення цього цікавого ефекту, але вони зазвичай відкидаються на тій підставі, що їх природа фізично гіпотетична, як і сам феномен взаємодії космологічного випромінювання з іншими видами матерії.
Так, за даними спостереження квазарів, червоний зсув, яке виражається у відносній величині, досягає аномально високих значень (2,5-2,8), хоча, по суті, воно не могло б бути більше 1. Це тому, що якщо цю аномалію пояснювати тільки ефектом Доплера, то швидкість квазарів перевершує швидкість світла на зазначені величини. Ясно, що це вступає в протиріччя з постулатів спеціальної теорії відносності. Щоб виключити його, частина червоного зсуву треба списати на гравітацію. Однак тут не ясно, на яку з можливих гравітації - або на локальну (тобто гравітацію самого квазара), або на вселенську, що зустрічається на шляху променя до нас, або на ту й іншу разом слід орієнтуватися в цьому питанні. Бездоганних теоретичних підказок тут немає. А самі галактики, виявлені в глибинах Всесвіту, які рухаються зі швидкостями близько половини Швидкості світла і більш, звідки вони придбали таку жахливу кінетичну енергію, яку можна порівняти з енергією їх маси спокою, яка розраховується за формулою ейнштейнівської Е = ТС2?
Не настільки фізично прозорий і феномен переходу всієї матерії в єдину точкову сингулярність, з якої нібито стався «великий вибух». Крім того, англійський фізик і космолог Стівен Хокінг в 1974 р. показав можливість «випаровування» чорних дір у результаті тунельного просочування (тунелювання) часток у зовнішній простір через потенційний бар'єр. Виникають протиріччя при поясненні самого феномена розширення Всесвіту, про який ми вже знаємо. Якщо розширення - дійсний фізичний процес (тобто наочний, як би нам хотілося), то воно відбувається або за рахунок «вторгнення» у вакуум типу псевдоевклидова простору Мінковського, або в простір інших космічних систем Всесвіту (ми-то свою спостережувану Всесвіт називаємо Метагалактикою). Існування абсолютного вакууму (не фізичного вакууму, поняття про який ми обговорювали раніше) не можна допускати, бо простір є атрибут (невід'ємна приналежність) матерії і поза неї не існує. Залишається допустити вторгнення у внутрішні простори інших систем, які самі можуть як стискатися, так і розширюватися, розвиваючись за власними законами.
Якщо ж стати на точку зору, що сам простір як би створюється в процесі розширення (процесі «розбухання», як іноді говорять і пишуть), в тому сенсі, що з плином часу збільшується відстань між будь-якими точками і змінюється геометрія простору, то ми знову приходимо до протиріччя. Саме все це повинно було б супроводжуватися збільшенням розмірів всіх матеріальних систем: елементарних часток, атомів, планет, зірок, галактик, всіх у рівних пропорціях. Ось цього і не помічено поки експериментально, занадто малі ефекти. Так що проблеми є, не дозволені сучасною наукою і залишаються як «подарунок» майбутнім поколінням учених.
Космогонічна гіпотеза Леметра, гіпотеза Гамова «гарячої сингулярності», «великий вибух» і ранні епохи утворення Всесвіту
Як вже зазначалося, наша Метагалактика не стаціонарно, оскільки безупинно змінюється, в колишні часи (якщо кому було спостерігати) вона виглядала інакше, і не буде знаходитися в нинішньому вигляді вічно - вона мала початок і повинна мати кінець свого, існування (такі сучасні уявлення про еволюції Всесвіту).
Близько двадцяти або десяти мільярдів років тому (десь в цьому інтервалі часів) речовина, з якого сьогодні складаються галактики, було сконцентровано до дуже великих густин у деякої, так званої, що спочиває сингулярної точки. У сучасну епоху спостережувані швидкості тоді утворилися галактик досягають і сотень, і двох сотень тисяч км / с, тобто швидкості їх руху виявляються порівнянними зі швидкістю світла. Створюється враження, що коли-то в ті давні часи стався гігантський за потужністю вибух цієї сингулярної області (кажуть про це абсолютно в умовному сенсі, а не в прямому тлумаченні вибуху), який і став початком розвитку Метагалактики (якщо завгодно, Всесвіту) до її сучасному стану. Такий погляд на початок світу виявився прийнятним багатьом вченим, ця гіпотеза отримала загальне визнання та була названа гіпотезою Великого вибуху (по англ. - Big Bang). У варіанті холодної сингулярності вона належить французькому космолог абатові Жоржу Леметру (1894-1966), який став згодом президентом Ватиканської академії наук, а у варіанті гарячої сингулярності - великому російському вченому Георгію Гамову (1904-1968).
Питання про те, в якому стані була сингулярність тоді, далеко не зайве. Від фізичного стану речовини істотно залежить вік Всесвіту. Крім того, при високих температурах (мільйони і мільярди градусів) можуть протікати термоядерні реакції. Тому хімічний склад «гарячої» Всесвіту може бути суттєво іншим, ніж «холодної». А від хімічного складу залежать розміри і світність зірок, темпи їх еволюції. Протягом кількох десятиліть обидві моделі (холодна та гаряча) існували в космології рівноправно. Кожна з них мала свої привабливі сторони і свої недоліки, своїх прихильників і своїх критиків. Не вистачало лише підтвердження спостереженнями. Так ось, підтвердження такі пішли, і про них ми будемо писати у наступному пункті.
Отже, по сучасним поглядам, Всесвіт виник в результаті стрімкого розширення, якщо завгодно, вибуху, надщільного гарячої речовини, що володів надвисокої температурою. Це був не звичайний вибух, який починається з певного центра і потім захоплює інші області простору. За образним висловом нобелівського лауреата, американського фізика Стівена Вайнберга (автора теорії електрослабкої взаємодії), вибух стався одночасно скрізь, «причому кожна частинка матерії спрямувалася геть від будь-якої іншої частинки». Іншого простору, крім того, яке було спочатку зайнято вихідною речовиною, не існувало, тобто тоді це була вся, саме весь Всесвіт. І початковий Великий вибух (Big Bang) був не розширенням матерії в навколишній простір, а розширенням самого простору. Big Bang стався 13-17 млрд. років тому (за оцінками із закону Хаббла).
Простежимо за динамікою розвитку Всесвіту після вибуху. Чим далі ми йдемо в минуле, тим більше температура, все ближче і ближче сингулярність - загадка вибуху Всесвіту. Сучасна наука дозволяє в уявному подорожі в часі підійти до сингулярності впритул. Повернемося знову до використання найпростіших математичних формул, які дозволять з більшою наочністю проілюструвати цю подорож. Зв'язок температури Т і часу t, що пройшов від початку розширення така: де Т задається в градусах Кельвіна, t - у секундах. Початкова температура, за припущенням Гамова, була порядку 10 32 градусів Кельвіна. Це так звана Планка температура, складена з планківських одиниць довжини, часу та маси. Починаючи з цього моменту (з нуля часу!), Всесвіт почала розширюватися, температура її стала знижуватися, а обсяг Всесвіту почав рости. Знову ж таки, через планківські час, який оцінюється величиною близько 10 -43 с, після народження класичного простору-часу, у Всесвіті настала інфляційна епоха. Вона характеризується гранично сильним негативним тиском (його іноді називають станом фальшивого вакууму), при якому змінюються закони звичайної гравітаційної фізики. Речовина стає не джерелом тяжіння, а джерелом відштовхування. Під час цієї епохи обсяг Всесвіту збільшується на багато-багато порядків від початкового об'єму, аж до ста порядків, тобто практично до розмірів майже сучасному Всесвіті, в результаті чого весь сучасний Всесвіт виявляється в одного причинно-наслідкового області, зрівнюється кінетична енергія розширення і її потенційна енергія. Через дії сил відштовхування Всесвіт «розганяється» і набуває велику кінетичну енергію, яку в подальшому, в наступні епохи, ми спостерігаємо у вигляді хаббловского розширення за інерцією.
Через одну секунду після вибуху температура настільки знизилася, що була вже всього 10 млрд. градусів. При такій все ще величезної температурі відбуваються процеси народження і анігіляції (перетворення на світло, на фотони) елементарних частинок. Наприклад, процеси народження пар електрон-позитрон при зіткненні фотонів і зворотна реакція, анігіляція пар електрон-позитрон з перетворенням на фотони.
При ще вищій температурі, отже, ще ближче до моменту «вибуху», можливі були народження і анігіляція більш важких частинок і античастинок, причому безупинно відбувалося швидке їх взаємне перетворення. У цьому первісному і «киплячому бульйоні» з елементарних частинок, частинок приблизно було стільки ж, скільки фотонів. В даний час фотонів в мільярд разів (10 9) разів більше, ніж часток (протонів). Очевидно, пояснити таке співвідношення між числом фотонів і числом часток у минулому і сьогоденні можна, якщо тільки припустити, що в «киплячому планковской бульйоні», у минулому, на кожен мільярд античастинок припадав мільярд плюс одна частинка, тобто існувала мізерна асиметрія між частинками і античастинками. (Якби асиметрія була в інший бік, то нинішня Всесвіт складався б з антиречовини). Виникає безліч питань: чому різниця між кількістю частинок і античастинок така мала? і т. д. Залишимо осторонь поки ці питання і повернемося до ситуації, що виникла через одну секунду (!) після вибуху. У цей час від усього розмаїття частинок залишилися тільки фотони, електрони й позитрони, нейтрино і антинейтрино. Нейтрино і антинейтрино вирвалися з рівноважного стану, з «киплячого бульйону», приблизно через 0,2 сек. після вибуху (на відміну від фотонів, що відірвалися приблизно через мільйон років).
Як вже, напевно, звернули увагу наші читачі, аналіз «великого вибуху» звівся до обговорення проблем, пов'язаних з елементарними частинками. За останні роки у фізиці елементарних частинок відбулися великі зміни. Зараз логічно послідовний опис Big Bang неможливо без елементарних частинок. Стало ясно, і це ми показали раніше, що такі, наприклад, елементарні частинки, як протон і нейтрон, не є «цеглинками світобудови», а є складними системами, що складаються з більш елементарних об'єктів - кварків. Якщо умовно ми розділяємо наш світ на три стани за своїми, в общем-то відмітним один від одного, законами (мікросвіт, макросвіт і мегасвіт), то в момент «великого вибуху» відбулося злиття мікро - і мегасвіту. Такий стан Всесвіту в той минулий час отримало назву мікрокосмосу.
Всі важкі частинки, адрони, складаються з кварків. З'єднання кварків здійснюється за допомогою елементарних переносників сильної взаємодії - глюонів. Але саме вражаюче полягає в тому, що на взаємодію елементарних частинок, на складні процеси, що проходять в «киплячому бульйоні», впливає порожнеча - фізичний вакуум. Цей особливий вакуум (так вважає сучасна наука) є складним станом, незвичайної порожнечею, від якого залежать властивості простору-часу і матерії. Фізичний вакуум - це найскладніше стан «киплячих» віртуальних частинок всіляких сортів.
Слід також згадати про види взаємодії, відомих нам. Таких видів взаємодій, як уже зазначалося, всього чотири: гравітаційне, електромагнітне, слабку і сильну. Переносником електромагнітного взаємодії є фотони - кванти електромагнітного поля, що не мають маси спокою і рухаються завжди тільки з однією швидкістю - зі швидкістю світла. Слабка взаємодія проявляється лише на дуже малих відстанях - порядку 10 -16 см (радіус електромагнітного і гравітаційної взаємодії, по суті, нескінченний). Переносниками слабкої взаємодії є бозони, яких є три сорти: W +, W ", Z °. При високій температурі Т> 10 15 До відмінність між слабким і електромагнітним взаємодією пропадає, при цій температурі (можна перерахувати, в який момент часу після вибуху це відбувається) існує єдиний електрослабкої взаємодію. За розробку єдиної теорії електромагнітної і слабкої взаємодій, тобто електрослабкої взаємодії, С. Вайнберг, Ш. Глешоу і А. Салам були в 1979 році удостоєні Нобелівської премії.
Частинки, схильні до слабкого взаємодії, як вказувалося раніше, називаються лептона. При температурах Г>> 10 15 К, коли постає єдина електрослабкої взаємодія, існує симетрія між електромагнітним і слабкою взаємодією, а поле, яке здійснює електрослабкої взаємодія, називається полем Хіггса.
Згадані вище кварки є цеглинками важких частинок - адронів, їх існування переконливо експериментально доведено. Але парадоксальним в даному випадку є те, що кварки у вільному стані не виявлені, вони просто не можуть існувати у вільному стані. У кварків є характеристика, величина, аналогічна електричному заряду в «звичайних» елементарних частинок. Ця величина називається «кольором». Сильна взаємодія ще інакше називають кольоровий силою. Так ось, при температурах, значно вищих, ніж 10 15 К (цій температурі відповідає енергія 10 лютого Гев, Гев - гігаелектронвольт, гіга означає 10 9), можливе об'єднання електрослабкої і сильної взаємодії. Це об'єднання, що носить назву Великого, настає при енергіях 14 жовтня Гев. Для порівняння можна нагадати, що найпотужніші у світі прискорювачі елементарних частинок розганяють елементарні частинки до порядку 10 Лютого Гев, таким чином, у доступному для огляду майбутньому взаємодія Великого об'єднання в лабораторних умовах спостерігати неможливо. Такі стани може створити тільки сама Природа, зокрема, поблизу «великого вибуху» такі стани можливі. Не виключена можливість такого стану і в локальних об'єктах Всесвіту, наприклад, в «чорні діри». Цей стан може виникнути, наприклад, із зіркою при гравітаційному колапсі.
Чому ми тут про це говоримо і пишемо? Та тому, що правильність теоретичних уявлень про взаємодію Великого об'єднання можна перевірити з досліджень та аналізу процесів в сьогоднішній Всесвіту, адже в сьогоднішній Всесвіту повинні існувати сліди тих грандіозних подій, які відбувалися поблизу «великого вибуху». До речі, якщо підрахувати момент часу t, відповідний температурі Т, коли енергія жовтня 1914 Гев (тоді Т = 10 27 До), то вийде t = 10 -24 с.
На наших очах відбувається здійснення наукової мрії Ейнштейна - мрії про об'єднання всіх сил природи. Отже, при температурах Т = 10 27 До відбувається об'єднання трьох сил: електромагнітної, слабкої і сильної. Залишається осторонь тільки одна сила - гравітаційна. Здавалося б, залишилося зробити лише один крок, але цей останній крок до цих пір не вдається зробити поки нікому.
Нагадаємо, що спеціальна теорія відносності об'єднала простір і час. Загальна теорія відносності, що є сучасною теорією гравітації, виходить з того, що гравітація - це прояв викривлення чотиривимірного простору-часу. Масивні тіла викривляють простір-час, і ці тіла рухаються «вільно» у викривленому просторі-часі з геодезичних лініях. Ейнштейн по суті показав наступне: природа гравітаційного поля по суті геометрична - це кривизна простору-часу. Ейнштейн був переконаний, що і електромагнітне поле повинно мати геометричну природу. До самої смерті (він помер у 1955 році) Ейнштейн працював над теорією, що об'єднує гравітацію і електромагнетизм. Зараз, коли ми знаємо про наявність ще слабкої і сильної взаємодії, ми розуміємо марність зусиль Ейнштейна.
Тепер ми знову звертаємося до ідеї об'єднання всіх сил з гравітацією. Оцінка енергії, за якої має відбутися об'єднання всіх сил природи, дорівнює 19 жовтня Гев, що відповідає температурі Т = 10 32 До, тобто початковій температурі в сингулярності. У результаті цього супер об'єднання немає окремих чотирьох взаємодій, є тільки одне універсальне супер взаємодію. При розробці теорій, в яких існує єдине універсальне взаємодія, вчені з неминучістю приходять до розгляду абстрактних просторів з більшим, ніж чотири, числом вимірів. Є варіанти теорій, в яких розглядаються 10, 11 і навіть 26 вимірювань замість звичайних чотирьох. Чому ж ми на практиці не виявляємо цих додаткових вимірів? Як стверджують вчені, всі додаткові вимірювання компактно «згортаються» на відстанях порядку 10 -23 см - це так звана довжина Планка хвилі. На цих відстанях необхідно враховувати квантові ефекти-тут вже не «працює» класична загальна теорія відносності. Квантової ж теорії гравітації у визнаному усіма варіанті поки що не існує.
Повернемося до нашої подорожі в часі до точки «великого вибуху». Ми говорили про те, що в нашому Всесвіті повинні зберегтися «сліди» тих процесів, які протікали поблизу сингулярного стану. До таких «гарячих слідах» ставляться самі фундаментальні властивості нашого світу, а саме, той факт, що простір має три виміри, а час - один вимір, теж пов'язано з тими, далекими для нас, процесами. Той факт, що у Всесвіті є речовина, також обумовлений тими процесами. Взагалі Всесвіт поблизу «великого вибуху» нагадує суперген (якщо використовувати біологічну термінологію), в якому закладена вся інформація про майбутнє Всесвіту. Недарма католицької церкви сподобався Big Bang.
Однак продовжимо аналіз початку і наступних моментів після вибуху. Минуло три-п'ять хвилин після початку розширення, і температура у Всесвіті впала нижче одного мільярда градусів. При цій температурі можливе з'єднання протона і нейтрона в ядро дейтерію. У результаті реакцій синтезу при температурі нижче мільярда градусів починають виникати ядра гелію. На цьому ядерні реакції в ранньому Всесвіті припиняються. Розрахунки показують, що в первинному речовині має утворитися близько 25% гелію за масою, а інше речовина (75%) - це ядра атомів водню (протони). Спостереження показують, що перші зірки у Всесвіті утворилися з речовини, хімічний склад якого відповідає прогнозам теорії гарячого Всесвіту. Всі інші хімічні елементи утворилися при подальшій еволюції Всесвіту головним чином у надрах зірок, а за утворення важких елементів відповідальні в першу чергу процеси в наднових зірок. (Таким чином, атоми, які є в нашому організмі, колись були народжені в надрах якийсь наднової зірки).
Після рекомбінації атомів речовина, що заповнює Всесвіт, являло собою газ, який внаслідок гравітаційної нестійкості став збиратися в згущення. Результати цього процесу ми бачимо у вигляді скупчень галактик, галактик і зірок. Структура Всесвіту досить непроста, і вивчення механізму її утворення - це одна з найбільш цікавих завдань нашого часу. Як не дивно, вона далека від рішення - ми більш ясно уявляємо собі, що відбувалося в перші секунди після «великого вибуху», ніж у період від мільйона років до нашого часу.
Є багато загадок в космології, які людство ще не розгадало. Наприклад, чому наш Всесвіт є однорідною? (Звичайно, у великих масштабах). Чому середня щільність речовини у Всесвіті дуже близька до критичної щільності? І сама головна загадка: що могло бути причиною початку розширення?
Російські фізики А.Д. Лінде і А.А. Старобінський показали, що стан з величезним негативним тиском, як у вакууму, у Всесвіті могло виникнути в результаті квантових ефектів у гравітаційному полі. Це величезна негативний тиск могло виникнути при температурі «киплячого бульйону», рівної Т = 10 32 До, тобто при цій температурі відбувається супер освіта (взаємодія Великого об'єднання і гравітаційна взаємодія зливаються в одне взаємодія). Відповідний момент часу t n = 3 х 10 -44 с, щільність матерії в цей момент r = жовтня 1994 г/см3. Можливо, що виникнення стану з величезним негативним тиском у цей момент і послужило першопоштовхом до розширення Всесвіту.
Зараз зрозуміло одне: чим ближче до «початку», тим більш екзотичний стають закони природи, тим більше виникає питань. На закінчення наведемо таблицю епох розширення Всесвіту із зазначенням тільки ключових процесів.
Реліктове випромінювання Гамова
У 1965 р. американські радіоінженери А. Пензіас і Р. Вілсон, випробовуючи новий радіотелескоп з рупорної антеною, несподівано зареєстрували космічне випромінювання, інтенсивність якого не залежала від напрямку і яке не можна було приписати відомим дискретним радіоджерелами - радіогалактики і квазарів. Після проведення відповідних вимірювань і обчислень, був зроблений висновок: радіотелескоп реєструє космічне випромінювання, розподіл інтенсивності по довжинах хвиль якого відповідає тепловому випромінюванню з абсолютною температурою Т = 2,7 К. (У 1978 році Пензіас та Вільсон за відкриття «реліктового» випромінювання отримали Нобелівську премію). Так було доведено, що всі міжгалактичний простір заповнений квантами низької частоти. Згадаймо, що в процесі розширення Всесвіту енергія кожного кванта зменшується. З цього випливає, що на ранньому етапі розширення частота цих квантів могла бути скільки завгодно великий. Звідси висновок: у далекому минулому Всесвіт була гарячою. Це відкриття дозволило зробити вибір між двома гіпотезами походження Всесвіту на користь «гарячої», висловленої Г. Гамовим.
Крім теорії розширення Всесвіту А. Фрідмана, потім також теоретичної моделі «гарячої» Всесвіту Г. Гамова, надійно встановленого експериментального закону Хаббла, є пряма експериментальна інформація, що підтверджує Big Bang: це передбачене в 1947 р. і відкритий у 1965 р. реліктове випромінювання.
Багаторазові вимірювання показали, що цей космічний електромагнітний фон є ізотропним, т, е. інтенсивність його випромінювання однакова в усіх напрямках. Дослідження фізичних характеристик реліктового випромінювання показало, що первісна плазма мала надзвичайно високою температурою. (Згідно розвиненою теорії «гарячої» Всесвіту, реліктове випромінювання виникло декілька пізніше Big Bang, приблизно через мільйон років після вибуху, отже, у момент вибуху температура була ще вищою, або, як прийнято говорити в математиці, була нескінченно великою).
Відповідно до загальної теорії відносності, у електромагнітного випромінювання існував б зрушення спектра в «червону» бік за деякими напрямками, якщо б по цих напрямках у космічному просторі існували згущення матерії.
Изотропия реліктового випромінювання, таким чином, свідчить про однорідність розподілу речовини у Всесвіті у великих масштабах. До речі, парадоксальна на перший погляд гіпотеза про однорідний і ізотропному розподіл матерії у Всесвіті була зроблена А. Фрідманом при вирішенні рівнянь Ейнштейна. Масштаб однорідності Всесвіту становить приблизно сто мільйонів світлових років, тобто в менших масштабах Всесвіт є неоднорідною (зірки, галактики, міжзоряні хмари і т. д.).
Космологічний Обрій та великомасштабна (чарункова) структура Всесвіту
Отже, два найважливіших наглядових факту, що лежать у фундаменті сучасної космології, ми вже відзначили - Фрідман-хаббловское розширення Всесвіту і Гамовської реліктове випромінювання. Їх зіставлення веде до логічного висновку про існування якогось Космологічного Обрію, «заглянути» за який і отримати якусь інформацію про об'єкти, що знаходяться далі, і про структури, що перевершують за розміром відстань до Космологічного Обрію, людству не дано (принаймні, в сучасну технологічну епоху).
Поки людина є мешканцем Місцевого сверхскопленія галактик, ефект червоного хаббловского зміщення для джерела світла, віддаленого на відстань R> 1,4 Гпк, призводить до того, що цей об'єкт стане невиразний на тлі мікрохвильового (реліктового) випромінювання.
Третім наглядовою фактом слід вважати відкриття і дослідження великомасштабної структури Всесвіту. До цього відкриття найбільшими об'єктами у Всесвіті вважалися гігантські галактики і скупчення галактик. Відкриття сверхскоплений галактик (великомасштабної структури) справила незабутнє враження на космологів.
Великомасштабна структура Всесвіту була передбачена російськими космології й астрофізики на чолі з академіком Яковом Борисовичем Зельдовичем. Теоретично аналізуючи закони еволюції малих збурень густини у Всесвіті, що, Зельдович виявив цікаве явище: утворюються об'єкти не володіли сферичної формою (тоді як самі зірки, планети - сфери, є й кульові галактики). Це були структури об'ємні, нерівні за трьома напрямками, дуже схожі на звичайні млинці. Зельдович так і назвав свою теорію теорією млинців (Бог, якщо це він спік Всесвіт, не чужий буденності!). Теорія передбачала існування в глибокому космосі порожнеч, тепер їх називають увійшовши (від англ. Void - порожнеча, пусте місце).
Щоб бути зовсім точним, треба сказати, що найбільший об'єкт у Всесвіті - Метагалактика, за межами якої нам світ не видно. Великомасштабна структура Метагалактики виявлена для шкали відстаней від декількох мегапарсек до декількох сотень мегапарсек. С. Шандарін, Р. Кіршнер та інші, які в 1981-82 рр.. відкрили великомасштабну структуру, спостерігали далекі галактики в телескоп на трьох полях галактик, віддалених один від одного на кутові відстані в 5 градусів. У кожному з полів вони порахували галактики, виміряли їх червоні зсуви і побудували гістограму (графічну столбчатую діаграму), в площині якої відклали те, що вважали і вимірювали: число галактик N - червоне зміщення z. На гістограмі виявилися два піки, розділені майже порожнім простором. Їх інтерпретація була гранично проста: ми бачимо два млинця великомасштабної структури Всесвіту, а між ними порожнє поле.
Подальші дослідження показали, що найбільші просторові неоднорідності в розподілі галактик мають форму волокон, або філаментів (англ. filament - нитка, волокно), які утворюють стінки осередків - зайду. Усередині кожного Войда галактик немає, вони зосереджені, у волокнах, які утворюють стінки Войда (так можна собі уявити тривимірну павукову павутину). Розміри увійшовши близько 100 Мпк, товщина волокон близько 10 Мпк. Ця велика чарункова структура Метагалактики, як прийнято вважати, не утворює більш великих структур, тому в даних мегамасштабах Метагалактика однорідна і изотропна. Звичайно, абсолютна категоричність тут недоречна. Планується побудувати повне тривимірне розподіл галактик у Метагалактиці на глибину, що перевищує сотню мегапарсек.
Це ми говорили про структуру, а тепер про механізми утворення цих структур. Після «великого вибуху» утворилося речовина і електромагнітне поле були розсіяні і представляли собою газово-пилові хмари і електромагнітний фон. У результаті взаємопритягання частинок пилу і газу (головним чином водню) утворилися перші покоління зірок. Після того як виникли перші зірки, що залишився газ, зважаючи на наявність у нього внутрішнього моменту руху, зібрався в тонкий диск (млинець), і в цьому диску сформувалося з газу друге покоління зірок. Найбільш масивні зірки швидко еволюціонували з утворенням важких металів, які викидалися в міжзоряний газ. Деякі з важких металів конденсувалися в крихітні крупинки - міжзоряну пил.
Коли в центральній площині галактики було сформована достатня кількість зірок, нестійкість руху змусила їх тимчасово об'єднатися в скупчення, з яких були сформовані спіральні рукави. Рукава являють собою протяжні освіти, які обертаються навколо центру галактики. Речовина, з якого вони складаються, зазнає змін. Деякі зірки можуть переходити з одного рукава в іншій. Подібно до зірок, міжзоряний газ і пил також знаходяться в рукавах. У міжзоряному газі в результаті спалахів наднових зірок виникає різниця в тиску. Газ відтікає з області високого тиску в область низького тиску, утворюються хмари неіонізованих газу високої щільності. Сили тяжіння прагнуть стиснути таку хмару в більш компактне освіту. Однак стисненню перешкоджає внутрішній тиск, який прагне змусити хмара розширитися. Зазвичай внутрішній тиск більше гравітаційного. Але іноді зовнішній тиск раптово підвищується через відбуваються неподалік бурхливих подій: наприклад, спалах наднової зірки, освіта масивної зірки або великомасштабна перебудова міжзоряного магнітного поля. Хмара може стиснутися до щільності набагато більше типовою. Тяжіння може подолати внутрішній тиск, внаслідок чого хмара починає катастрофічно стискатися, і утворюються зірки. У міру стиснення міжзоряні порошини захищають внутрішні області хмари від нагрівання випромінюванням зірок, що знаходяться зовні. Температура хмари падає, а з ним внутрішній тиск в хмарі. У результаті хмара розпадається на частини, а ті, у свою чергу, на ще менші освіти. У зірках в результаті стиснення водень перетворюється в гелій. Оскільки в центрі тиск вищий, то і гелій утворюється в центрі, утворюється гелиевое ядро.
Ядро ще більше стискується і розігрівається. У шарах, прилеглих до ядра, з-за величезної температури також починає утворюватися гелій. Коли температура всередині зірки досягає 1,5 X 10 7 До, гелій перетворюється в вуглець, з подальшим утворенням все більш важких хімічних елементів. У результаті утворюються червоні зірки, надгіганти. Заключний етап життя зірки залежить від її маси. При малій масі зовнішні шари поступово розширюються і, врешті-решт, покидають ядро зірки; на місці гіганта залишається гарячий маленький карлик з білим свіченням, який потім поступово остигає і стає погаслою зіркою. Якщо маса зірки приблизно вдвічі перевищує масу Сонця, то такі зірки на останньому етапі еволюції втрачають стійкість і можуть вибухнути, як наднові, збагачуючи міжзоряне середовище важкими хімічними елементами, а потім стиснутися, перетворившись на нейтронні зірки з діаметром у кілька кілометрів.
Усередині зірок у ході термоядерних реакцій утворюється до 30 хімічних елементів, а під час вибуху і всі інші відомі на Землі хімічні елементи.
Збагачена важкими елементами міжзоряне середовище утворить зірки нового покоління. Вік зірок, тому можна визначити методом спектрального аналізу. Є зірки-надгіганти, набагато перевищують масу Сонця. Вони або перетворюються на нейтронну зірку, або в процесі необмеженого стиснення перетворюються на «чорну діру», тобто в об'єкт, що володіє гігантським за своєю величиною полем тяжіння, не випускає за свої межі ніяке випромінювання. Їх можна виявити опосередковано за їх гравітаційного впливу на навколишні тіла. Міжзоряний газ або газ сусідньої зірки, притягаючи і падаючи на «чорну діру» (цей процес називається акрецією), утворює навколо неї шлейф. Напрошується висновок: зірки й галактики підпорядковуються загальним законам діалектики: народжуються, живуть і вмирають. І процес цей продовжується до наших днів.
Список літератури:
Горохів В.Г. Концепції сучасного природознавства. - М., 2003. - 412 с.
Стьопін В.С., Горохів В.Г., Розов М.А. Філософія науки і техніки. - М., 1995. - 384 с.
Крюков Р.В. Концепції сучасного природознавства (конспект лекцій). - М., 2005. - 176 с.
Галімов Е. М. Феномен життя: між рівновагою і нелінійністю. Походження і принципи еволюції. - М., 2001. - 256 с.
Князєва О.М., Курдюмов С.П. Закони еволюції і самоорганізації складних систем. - М., 1994.