Модель Великого вибуху і розширення Всесвіту

Однією з основних концепцій сучасного природознавства є вчення про Всесвіт як єдине ціле і про всю охопленої астрономічними спостереженнями області Всесвіту (Метагалактика) як частини цілого - космологія.

Висновки космології грунтуються і на законах фізики, і на даних спостережної астрономії. Як будь-яка наука, космологія у своїй структурі крім емпіричного і теоретичного рівнів має також рівень філософських передумов, філософських основ.

Так, в основі сучасної космології лежить припущення про те, що закони природи, встановлені на основі вивчення вельми обмеженої частини Всесвіту, найчастіше на основі дослідів на планеті Земля, можуть бути екстрапольовані на значно більші області, в кінцевому рахунку - на весь Всесвіт. Це припущення про стійкість законів природи у просторі і часі відноситься до рівня філософських підстав сучасної космології.

Мета моєї курсової роботи полягає в тому, щоб розібратися, що ж все-таки представляє з себе всесвіт. У моїй курсовій роботі поставлені такі завдання:

1. Вивчити, як стався той темп розвитку всесвіту, починаючи з моменту «великого вибуху»?

2. Розглянути погляди різних вчених, філософів, політологів про те, як розширюється всесвіт?

3. Дослідити, чому Всесвіт початку розширяться зі швидкістю, такої близької до критичної, яка розділяє моделі з повторним стиском і моделі з вічним розширенням, так що навіть зараз, через десять тисяч мільйонів років, Всесвіт продовжує розширюватися зі швидкістю, приблизно рівної критичної?

1. Модель Великого Вибуху

Модель еволюційної історії Всесвіту, відповідно до якої вона виникла в нескінченно щільному стані і з тих пір розширюється. Ця подія відбулася від 13 до 20 мільярдів років тому і відоме як «Великий Вибух». Теорія Великого Вибуху тепер загальноприйнята, так як вона пояснює обидва найбільш значних факту космології: розширюється Всесвіт і існування космічного фонового випромінювання. Можна скористатися відомими законами фізики і прорахувати в зворотному напрямку всі стани, в яких знаходилася Всесвіт, починаючи з 10-43 секунд після Великого Вибуху. Протягом першого мільйона років речовина та енергія у Всесвіті сформували непрозору плазму, іноді звану первинним вогненною кулею. До кінця цього періоду розширення Всесвіту змусило температуру опуститися нижче 3000 K, так що протони і електрони змогли об'єднуватися, утворюючи атоми водню. На цій стадії Всесвіт стала прозорою для випромінювання. Щільність речовини тепер стала вище щільності випромінювання, хоча раніше ситуація була зворотною, що й визначало швидкість розширення Всесвіту. Фонове мікрохвильове випромінювання - все, що залишилося від сильно охолодженого випромінювання ранньому Всесвіті. Перші галактики почали формуватися з первинних хмар водню і гелію тільки через один або два мільярди років. Термін «Великий Вибух» може застосовуватися до будь-якої моделі Всесвіту, що розширюється, яка в минулому була гарячою і щільною.

1.1 Гіпотетичні уявлення про Всесвіт

Ще в 340 р. до н.е. грецький філософ Аристотель у своїй книзі «Про небо» навів два вагомих доводи на користь того, що Земля не плоска тарілка, а кругла куля. По-перше, Аристотель здогадався, що місячні затемнення відбуваються тоді, коли Земля опиняється між Місяцем і Сонцем. Земля завжди відкидає на Місяць круглу тінь, а це може бути лише в тому випадку, якщо Земля має форму кулі. Будь Земля плоским диском, її тінь мала б форму витягнутого еліпса, якщо тільки затемнення не відбувається завжди саме в той момент, коли Сонце знаходиться точно на осі диска. По-друге, з досвіду своїх подорожей греки знали, що в південних районах Полярна зірка на небі розташовується нижче, ніж у північних. Знаючи різницю в уявній положенні Полярної зірки в Єгипті та Греції, Аристотель зумів навіть вирахувати, що довжина екватора дорівнює 400 000 стадій. Що таке стадій, точно невідомо, але він близький до 200 метрам, і, отже, оцінка Аристотеля приблизно в 2 рази більше значення, прийнятого зараз. Аристотель думав, що Земля нерухома, а Сонце, Місяць, планети і зірки обертаються навколо неї по кругових орбітах. Він так вважав, бо у відповідності зі своїми містичними поглядами Землю вважав центром Всесвіту, а круговий рух - самим досконалим.

Птолемей в II столітті розвинув ідею Аристотеля в повну космологічну модель. Земля стоїть в центрі, оточена вісьмома сферами, що несуть на собі Місяць, Сонце і п'ять відомих тоді планет: Меркурій, Венеру, Марс, Юпітер і Сатурн (рис. 1.1). Самі планети, вважав Птолемей, рухаються за меншими колам, скріпленим з відповідними сферами. Це пояснювало той вельми складний шлях, який здійснюють планети. На самій останній сфері розташовуються нерухомі зірки, які, залишаючись в одному і тому ж положенні один відносно одного, рухаються по небу всі разом як єдине ціле. Що лежить за останньою сферою, не пояснювалося, але в усякому разі це вже не було частиною тієї Всесвіту, яку спостерігає людство.

Модель Птолемея дозволяла непогано передбачати положення небесних тіл на небосхилі, але для точного передбачення йому довелося прийняти, що траєкторія Місяця в одних місцях наближається до Землі в 2 рази ближче, ніж в інших. Це означає, що в одному положенні Місяць повинен здаватися в 2 рази більшою, ніж в іншому. Птолемей знав про цей недолік, але тим не менш його теорія була визнана, хоч і не скрізь. Християнська Церква прийняла Птолемеєва модель Всесвіту як не суперечить Біблії, бо ця модель була дуже хороша тим, що залишала за межами сфери нерухомих зірок багато місця для пекла і раю.

Однак в 1514 р. польський священик Микола Коперник запропонував ще більш просту модель. Його ідея полягала в тому, що Сонце стоїть нерухомо в центрі, а Земля та інші планети обертаються навколо нього по кругових орбітах. Минуло майже століття, перш ніж ідею Коперника сприйняли серйозно.

Два астронома - німець Йоганн Кеплер і італієць Галілео Галілей - публічно виступили на підтримку теорії Коперника, незважаючи на те що передбачені Коперником орбіти не зовсім збігалися з спостерігаються. Теорії Аристотеля, Птолемея прийшов кінець в 1609 р., коли Галілей почав спостерігати нічний тенія, за яким всяке тіло у Всесвіті притягається до будь-якого іншого тіла з тим більшою силою, чим більше маси цих тіл і чим менша відстань між ними. Це та сама сила, яка змушує тіла падати на землю. Далі Ньютон показав, що, згідно з її законодавством, Місяць під дією гравітаційних сил рухається по еліптичній орбіті навколо Землі, а Земля і планети обертаються по еліптичних орбітах навколо Сонця. Модель Коперника допомогла позбутися від птолемеєвих небесних сфер, а заодно і від уявлення про те, що Всесвіт має якусь природну кордон. Оскільки «нерухомі зірки» не змінюють свого положення на небі, якщо не вважати їх кругового руху, пов'язаного з обертанням Землі навколо своєї осі, природно було припустити, що нерухомі зірки - це об'єкти, подібні до нашого Сонця, тільки набагато більш віддалені.

Ньютон розумів, що по його теорії тяжіння зірки повинні притягатися один до одного і тому, не можуть залишатися зовсім нерухомими. У 1691 р. в листі Річарду Бентлі, ще одному видатному мислителю того часу, Ньютон говорив, що так дійсно мало б статися, якби у нас було лише кінцеве число зірок у кінцевій області простору. Але, міркував Ньютон, якщо число зірок нескінченне і вони більш-менш рівномірно розподілені по нескінченному простору, то цього ніколи не станеться, тому що немає центральної точки, куди їм потрібно було б падати.

Ще одне заперечення проти моделі нескінченного статичної Всесвіту зазвичай приписується німецькому філософу Генріху Олберса, який у 1823 р. опублікував роботу, присвячену цій моделі. Заперечення таке: в нескінченній статичної Всесвіту будь-який промінь зору повинен упиратися в яку-небудь зірку. Але тоді небо навіть вночі має яскраво світитися, як Сонце. Контраргумент Олберса полягав у тому, що світло, що йде до нас від далеких зірок, має послаблюватися через поглинання в що знаходиться на його шляху речовині. Але в такому випадку саме це речовина повинна нагрітися і яскраво світитися, як зірки. Єдина можливість уникнути висновку про яскраво, як Сонце, що світиться нічному небі - припустити, що зірки сяяли не завжди, а зайнялися в якийсь певний момент часу в минулому. Тоді поглинає речовина, можливо, ще не встигло розігрітися або ж світло далеких зірок ще не дійшов до нас.

Інша підстава висунув Блаженний Августин у книзі «Град Божий». Він вказав на те, що цивілізація прогресує, а ми пам'ятаємо, хто зробив те чи інше діяння і хто що винайшов. Тому людство, а значить, ймовірно, і Всесвіт, навряд чи дуже довго існують. Блаженний Августин вважав прийнятною дату створення Всесвіту, відповідну книзі «Буття» приблизно 5000 рік до нашої ери.

Спостереження Хаббла говорили про те, що був час - так званий великий вибух, коли Всесвіт був нескінченно малої і нескінченно щільною.

2. Розширюється Всесвіт

Якщо в ясну безмісячну ніч подивитися на небо, то, швидше за все, найяскравішими об'єктами, які ви побачите, будуть планети Венера, Марс, Юпітер і Сатурн. Крім того, ви побачите величезну кількість зірок, схожих на наше Сонце, але перебувають набагато далі від нас. При обертанні Землі навколо Сонця деякі з цих «нерухомих» зірок трохи змінюють своє положення відносно один одного, тобто насправді вони зовсім не нерухомі. Справа в тому, що вони трохи ближче до нас, ніж інші. Оскільки ж Земля обертається навколо Сонця, близькі зірки видно весь час в різних точках фону більш віддалених зірок. Завдяки цьому можна безпосередньо виміряти відстань від нас до цих зірок: чим вони ближче, тим сильніше помітно їх переміщення. Найближча зірка, яка називається Проксіма Центавра, знаходиться від нас на відстані приблизно чотирьох світлових років або близько 37 мільйонів кілометрів. Більшість зірок, видимих ​​неозброєним оком, віддалені від нас на кілька сотень світлових років. Порівняйте це з відстанню до нашого Сонця, що становить всього вісім світлових хвилин. Видимі зірки розсипані але всьому нічному небі, але особливо густо в тій смузі, яку ми називаємо Молочним Шляхом.

Ще в 1750 р. деякі астрономи висловлювали думку, що існування Чумацького Шляху пояснюється тим, що більша частина видимих ​​зірок утворює одну дискообразную конфігурацію - приклад того, що зараз називається спіральною галактикою. Лише через кілька десятиліть астроном Вільям Гершель підтвердив це припущення, виконавши колосальну роботу але складанню каталога положень величезної кількості зірок і відстаней до них. Але навіть після цього уявлення про спіральних галактиках було прийнято усіма лише на початку 21 століття.

Сучасна картина Всесвіту виникла тільки в 1924 р., коли американський астроном Едвін Хаббл показав, що наша Галактика не єдина. Для доказу Хабблу потрібно визначити відстані до цих галактик, які настільки великі, що, на відміну від положень близьких зірок, видимі положення галактик дійсно не змінюються. Тому для вимірювання відстаней Хаббл був змушений вдатися до непрямих методів. Видима яскравість зірки залежить від двох чинників: від того, яка кількість світла випромінює зірка, і від того, дe вона знаходиться. Яскравість близьких зірок і відстань до них ми можемо виміряти, отже, ми можемо обчислити і їх світність. І навпаки, знаючи світність зірок в інших галактиках, ми могли б обчислити відстань до них, вимірявши їх видиму яскравість. Хаббл зауважив, що світність деяких типів зірок завжди одна і та ж, коли вони знаходяться досить близько для того, щоб можна було проводити вимірювання. Отже, якщо такі зірки виявляться в іншій галактиці, то, припустивши у них таку ж світність, ми зуміємо обчислити відстань до цієї галактики. Якщо подібні розрахунки для кількох зірок однієї і тієї ж галактики дадуть один і той же результат, то отриману оцінку відстані можна вважати надійною.

Таким шляхом Хаббл розрахував відстані до дев'яти різних галактик. Тепер відомо, що наша Галактика - одна з декількох сотень тисяч мільйонів галактик, які можна спостерігати в сучасні телескопи, а кожна з цих галактик в свою чергу містить сотні тисяч мільйонів зірок.

У 20-х роках, коли астрономи почали дослідження спектрів зірок інших галактик, виявилося щось ще більш дивне: у нашій власній Галактиці виявилися ті ж самі характерні набори відсутніх квітів, що й у зірок, але всі вони були зрушені на одну і ту ж величину до червоного кінця спектра. Це означає, що спектри віддаляються зірок будуть зрушені до червоного кінця (червоне зміщення), а спектри наближаються зірок повинні відчувати фіолетове зсув. Таке співвідношення між швидкістю і частотою називається ефектом Доплера, і цей ефект звичайний навіть у нашому повсякденному житті. Ще більш дивним було відкриття, опубліковане Хабблом в 1929 р. - Хаббл виявив, що навіть величина червоного зсуву не випадкова, а прямо пропорційна відстані від нас до галактики. Іншими словами, чим далі знаходиться галактика, тим швидше вона видаляється. А це означало, що Всесвіт не може бути статичним, як думали раніше, що насправді вона безперервно розширюється і відстані між галактиками весь час зростають.

Ейнштейн, розробляючи в 1915 р. загальну теорію відносності, був упевнений у статичності Всесвіту. Щоб не вступати в протиріччя зі статичністю. Ейнштейн модифікував свою теорію, ввівши в рівняння так звану космологічну постійну. Він ввів нову «антигравітаційну» силу, яка на відміну від інших сил не породжувалася будь-яким джерелом, а була закладена в саму структуру простору-часу. Ейнштейн стверджував, що простір - час саме по собі завжди розширюється і цим розширенням точно врівноважується тяжіння всієї іншої матерії у Всесвіті, так що в результаті Всесвіт виявляється статичної.

Фрідман зробив два дуже простих вихідних припущення: по-перше, Всесвіт виглядає однаково, в якому б напрямку ми її ні спостерігали, і по-друге, це твердження повинне залишатися справедливим і в тому випадку, якщо б ми виробляли спостереження з якого-небудь іншого місця. Не вдаючись ні до яких інших припущеннями, Фрідман показав, що Всесвіт не повинна бути статичною. У 1922 р., за кілька років до відкриття Хаббла, Фрідман в точності передбачив його результат. У моделі Фрідмана всі галактики віддаляються один від одного. Відстань між будь-якими двома точками збільшується, але жодну з них не можна назвати центром розширення. При тому, чим більше відстань між точками, тим швидше вони віддаляються один від одного. Але і в моделі Фрідмана швидкість, з якою будь-які дві галактики віддаляються один від одного, пропорційна відстані між ними. Таким чином, модель Фрідмана пророкує, що червоне змішання галактики має бути прямо пропорційно її віддаленості від нас, у точній відповідності з відкриттям Хаббла.

У 1935 р. американський фізик Говард Робертсон та англійський математик Артур Уолкер запропонували подібні моделі у зв'язку з відкриттям Хаббла.
Сам Фрідман розглядав тільки одну модель, але можна вказати три різні моделі, для яких виконуються обидва фундаментальних припущення Фрідмана. У моделі першого типу Всесвіт розширюється досить повільно для того, щоб згідно з гравітаційного тяжіння між різними галактиками розширення Всесвіту сповільнювалося і врешті-решт припинялося. Після цього галактики починають наближатися один до одного, і Всесвіт починає стискатися. У моделі другого типу розширення Всесвіту відбувається так швидко, що гравітаційне тяжіння хоч і уповільнює розширення, не може його зупинити. У моделі третього типу, у якій швидкість розширення Всесвіту тільки достатня для того, щоб уникнути стиску до нуля (колапсу).

Сьогоднішню швидкість розширення Всесвіту можна визначити, вимірюючи швидкості віддалення від нас інших галактик. Такі вимірювання можна виконати дуже точно. Але відстані до інших галактик нам погано відомі, тому що їх не можна виміряти безпосередньо. Ми знаємо лише, що Всесвіт розширюється за кожну тисячу мільйонів років на 5-10%. Проте невизначеність у сучасному значенні середньої щільності Всесвіту ще більше. Якщо скласти маси всіх досліджуваних зірок в нашій і інших галактиках, то навіть при самій низькій оцінці швидкості розширення сума виявиться менше однієї сотої тієї щільності, яка необхідна для того, щоб розширення Всесвіту припинилося. Однак і в нашій, і в інших галактиках повинно бути багато темної матерії, яку не можна бачити безпосередньо, але про існування, якої ми дізнаємося з того, як її гравітаційне тяжіння впливає на орбіти зірок у галактиках. Крім того, галактики в основному спостерігаються у вигляді скупчень, і ми можемо аналогічним чином зробити висновок про наявність ще більшої кількості міжгалактичної темної матерії всередині цих скупчень, що впливає на рух галактик. Склавши масу всієї темної матерії, ми отримаємо лише одну десяту тієї кількості, яка необхідна для припинення розширення. Але не можна виключити можливість існування і якийсь інший форми матерії, розподіленої рівномірно по всій Всесвіту і ще не зареєстрованою, яка могла б довести середню щільність Всесвіту до критичного значення, необхідного, щоб зупинити розширення. Таким чином, наявні дані говорять про те, що Всесвіт, ймовірно, буде розширюватися вічно.

У 1963 р. два радянських фізика, Є.М. Ліфшиц і І.М. Халатников, зробили ще одну спробу виключити великий вибух, а з ним і початок часу. Ліфшиц і Халатников висловили припущення, що великий вибух - особливість лише моделей Фрідмана, які врешті-решт дають лише наближений опис реальної Всесвіту. Тому галактик не потрібно знаходитися точно в одному місці - досить, щоб вони були розташовані дуже близько один до одного. Тоді нинішня розширюється Всесвіт міг виникнути не в сингулярної точки великого вибуху, а на який-небудь більш ранній фазі стиснення; може бути, при стисненні Всесвіту зіткнулися один з одним не всі частинки. Якась частка їх могла пролетіти повз один одного і знову розійтися в різні боки, в результаті чого і відбувається спостережуване зараз розширення Всесвіту. Ліфшиц і Халатников зайнялися вивченням моделей, які в загальних рисах були б схожі на моделі Фрідмана, але відрізнялися від фрідмановскіх тим, що в них враховувалися нерегулярності і випадковий характер реальних швидкостей галактик у Всесвіті. У результаті Ліфшиц і Халатников показали, що в таких моделях великий вибух міг бути початком Всесвіту навіть у тому випадку, якщо галактики не завжди розбігаються по прямій, по це могло виконуватися лише для дуже обмеженого кола моделей, в яких рух галактик відбувається певним чином. Тому в 1970 р. Ліфшиц і Халатников відмовилися від своєї теорії.

У 1965 р. англійський математик і фізик Роджер Пенроуз показав, що коли зірка стискається під дією власних сил гравітації, вона обмежується областю, поверхня якої врешті-решт стискається до нуля. А раз поверхня цієї області стискається до нуля, те ж саме повинно відбуватися і з її обсягом. Вся речовина зірки буде зібране в нульовому обсязі, так що її щільність і кривизна простору-часу стануть нескінченними. Іншими словами, виникне сингулярність в якійсь області простору-часу, звана чорною дірою.

У теоремі Пенроуза, згідно з якою будь-яке тіло в процесі гравітаційного колапсу має врешті-решт стиснутися в сингулярна крапку. А що якщо в теоремі Пенроуза змінити напрямок часу на зворотне, так, щоб стиск перейшло в розширення, то ця теорема теж буде вірна, якщо Всесвіт зараз хоча б грубо наближено описується у великому масштабі моделлю Фрідмана. По теоремі Пенроуза кінцевим станом будь коллапсіруюшей зірки повинна бути сингулярність; при зверненні часу ця теорема стверджує, що в будь-якої моделі фрідмановского типу початковим станом Всесвіту, що розширюється теж повинна бути сингулярність. З міркувань технічного характеру в теорему Пенроуза було введено в якості умов вимогу, щоб Всесвіт була нескінченна в просторі. У підсумку в 1970 р. Воронін і Пенроузом написали спільну статтю, в якій нарешті довели, що сингулярна точка великого вибуху повинна існувати, спираючись тільки на те, що вірна загальна теорія відносності і що у Всесвіті міститься стільки речовини, скільки ми бачимо. Ця робота викликала масу заперечень, частково з боку радянських вчених, які через прихильність до марксистської філософії вірили в науковий детермінізм, а частково і з боку тих, хто не брав саму ідею сингулярностей як порушує красу теорії Ейнштейна. Коли робота була закінчена, її прийняли, і зараз майже всі вважають, що Всесвіт виник в особливій точці великого вибуху.

3. Народження і загибель Всесвіту

Вважається, що в момент великого вибуху розміри Всесвіту були рівні нулю, а сама вона була нескінченно гарячою. Але в міру розширення температура випромінювання знижувалася. Через секунду після великого вибуху температура впала приблизно до десяти тисяч мільйонів градусів; це приблизно в тисячу разів більше температуру в центрі Сонця, але такі температури досягаються при вибухах водневої бомби. У цей час Всесвіт складався з фотонів, електронів, нейтрино (нейтрино - найлегші частки, що беруть участь тільки в слабкій і гравітаційній взаємодіях) і їхніх античастинок, а також з деякої кількості протонів і нейтронів. У міру того як Всесвіт продовжувала розширюватися, а температура падати, швидкість народження електрон антиелектрони пар в зіткненнях стала менше швидкості їхнього знищення за рахунок анігіляції. Тому майже всі електрони і антиелектрони повинні були анігілювати один з одним, утворивши нові фотони, так що залишилося лише трохи надлишкових електронів. Але нейтрино і антинейтрино НЕ анігілювали один з одним, тому що ці частинки дуже слабо взаємодіють між собою і з іншими частками. Тому вони до цих нір повинні зустрічатися навколо нас. Якби їх можна було спостерігати, то у нас з'явився б гарний спосіб перевірки моделі дуже гарячої ранньому Всесвіті. На жаль, їх енергії зараз занадто малі, щоб їх можна було безпосередньо спостерігати.

Приблизно через сто секунд після великого вибуху температура впала до тисячі мільйонів градусів, що відповідає температурі всередині самих гарячих зірок. При такій температурі енергії протонів і нейтронів вже недостатньо для опору сильному ядерного тяжінню, і вони починають об'єднуватися один з одним, утворюючи ядра дейтерію (важкого водню), які складаються з протона і нейтрона. Потім ядра дейтерію приєднують до себе ще протони і нейтрони і перетворюються в ядра гелію, що містять два протони і два нейтрони, а також утворюють невеликі кількості більш важких елементів - літію та берилію. Обчислення показують, що, згідно гарячої моделі великого вибуху, близько четвертої частини протонів і нейтронів мало перетворитися на атоми гелію і невелика кількість важкого водню та інших елементів. Решта нейтрони розпалися на протони, що представляють собою ядра звичайних атомів водню.

Всього через кілька годин після великого вибуху освіта гелію і інших елементів припинилося, після чого протягом приблизно мільйона років Всесвіт просто продовжувала розширюватися і з нею не відбувалося нічого особливого. Нарешті, коли температура впала до декількох тисяч градусів і енергії електронів і ядер стало недостатньо для подолання діє між ними електромагнітного тяжіння, вони почали об'єднуватися один з одним, утворюючи атоми. Весь Всесвіт як ціле могла продовжувати розширюватися і охолоджуватися, але в тих областях, щільність яких була трохи вище середньої, розширення сповільнювався через додаткового гравітаційного тяжіння. У результаті деякі області перестали розширюватися і почали стискатися. У процесі стиснення під дією гравітаційного тяжіння матерії, що знаходиться зовні цих областей, могло розпочатися їх повільне обертання. Зі зменшенням розмірів колапсуючої області її обертання прискорювалося, подібно до того, як прискорюється обертання фігуриста на льоду, коли він притискає руки до тіла. Коли нарешті коллапсірующая область стала достатньо малою, швидкості її обертання повинно було вистачити для врівноваження гравітаційного тяжіння - так утворилися обертаються дископодібні галактики. Ті області, які не почали обертатися, перетворилися в овальні об'єкти, звані еліптичними галактиками. Колапс цих областей теж припинився, тому що, хоча окремі частини галактики стабільно оберталися навколо її центру, галактика в цілому не оберталася.

Що складається з водню і гелію газ усередині галактик з часом розпався на газові хмари меншого розміру, що стискаються, і од дією власної гравітації. При стисненні цих хмар атоми всередині них стикалися один з одним, температура газу підвищувалася, і врешті-решт газ розігрівся так сильно, шануй почалися реакції ядерного синтезу. У результаті цих реакцій з водню утворилося додаткову кількість гелію, а з-за виділився тепла зріс тиск і газові хмари перестали стискатися. Хмари довго залишалися в цьому стані, подібно таким зіркам, як наше Сонце, перетворюючи водень в гелій і випромінюючи виділяється енергію у вигляді тепла і світла. Більш масивним зіркам для урівноваження свого більш сильного гравітаційного тяжіння потрібно було розігрітися сильніше, і реакції ядерного синтезу протікали в них настільки швидше, що вони випалили свій водень всього за сто мільйонів років. Потім вони злегка стиснулись, і, оскільки нагрів продовжувався, почалося перетворення гелію в більш важкі елементи, такі як вуглець і кисень. Але в подібних процесах виділяється не багато енергії, і тому, як вже говорилося в розділі про чорні діри, повинен був вибухнути криза. Не зовсім ясно, що сталося потім, але цілком правдоподібно, що центральні області зірки коллапсировать в дуже щільний стан начебто нейтронної зірки або чорної діри. Зовнішні області зірки можуть час від часу відриватися і нестися жахливим вибухом, який називається вибухом наднової, що затьмарює своїм блиском всі інші зірки у своїй галактиці. Частина більш важких елементів, які утворилися перед загибеллю зірки, була відкинута в заповнює галактику газ і перетворилася на сировину для наступних поколінь зірок. Наше Сонце містить близько двох відсотків згаданих більш важких елементів, тому що воно є зіркою другого або третього покоління, що утворилася близько п'яти мільйонів років тому із хмари обертається газу, в якому знаходилися осколки більш ранніх найновіших. Газ з цієї хмари в основному пішов на освіту Сонця або був винесений вибухом, але невелика кількість більш важких елементів, зібравшись разом, перетворилося на небесні тіла - планети, які зараз, як і Земля, обертаються навколо Сонця.

Спочатку Земля була гарячою і не мала атмосфери. З часом вона охолола, а внаслідок виділення газу з гірських порід виникла земна атмосфера. Рання атмосфера була непридатна для нашого життя. У ній не було кисню, але було багато інших, отруйних для нас газів, наприклад сірководню. Щоправда, є й інші, примітивні форми життя, які можуть процвітати в таких умовах. Припускають, що вони розвинулися в океанах, можливо, в результаті випадкових об'єднань атомів у великі структури, які називають макромолекулами, які мали здатність групувати інші атоми в океані в такі ж структури. Таким чином вони самовідтворюватися і множилися. Іноді у відтворенні могли відбуватися збої. Ці збої здебільшого полягали в тому, що нова макромолекула не могла відтворити себе і врешті-решт руйнувалася. Але іноді в результаті збоїв виникали нові макромолекули, навіть більш здатні до самовідтворення, що давало їм перевагу, і вони прагнули замінити собою початкові. Так почався процес еволюції, який приводив до виникнення все більш і більш складних організмів, здатних до самовідтворення. Найперші примітивні живі організми споживали різні речовини, в тому числі сірководень, і виділяли кисень. Внаслідок відбувалося поступове зміна земної атмосфери, склад якої врешті-решт став таким, як зараз, і виникли відповідні умови для розвитку вищих форм життя, таких, як риби, рептилії, ссавці і, нарешті, людський рід.

Поки у нас ще немає повної та узгодженої теорії, що об'єднує квантову механіку і гравітацію. Але ми абсолютно впевнені в тому, що подібна єдина теорія повинна мати деякі певні властивості. По-перше, вона повинна включати в себе Фейнмановские метод квантової теорії, заснований на сумах по траєкторіях частинки. При такому методі на відміну від класичної теорії частка вже не розглядається як має одну-єдину траєкторією. Навпаки, передбачається, що вона може переміщатися по всіх можливих шляхах в просторі-часу і будь-який її траєкторії відповідає пара чисел, одне з яких дає довжину хвилі, а інше - положення в періоді хвилі (фазу). Щоб уникнути ускладнень технічного характеру при обчисленні Фейнмановские сум по траєкторіях варто переходити до уявного часу. Це означає, що при розрахунках час треба вимірювати не в дійсних одиницях, а в уявних. Тоді в просторі-часу виявляються цікаві зміни: у ньому зовсім зникає різниця між часом і простором. Простір-час, в якому тимчасова координата подій має уявні значення, називають евклідовим, на честь давньогрецького вченого Евкліда, засновника вчення про геометрію двовимірних поверхонь. Те, що ми зараз називаємо евклідовим простором-часом, дуже схоже на початкову геометрію Евкліда і відрізняється від неї лише числом вимірів: чотири замість двох. У евклідовому просторі-часу не робиться розходжень між віссю часу і напрямами в просторі. У реальному ж просторі-часу, де подіям відповідають дійсні значення координати часу, ці розходження видно відразу: для всіх подій вісь часу лежить усередині світлового конуса, а просторові осі - зовні. У будь-якому разі, поки ми маємо справу зі звичайною квантовою механікою, уявне час і евклідів простір-час можна розглядати просто як математичний прийом для розрахунку величин, пов'язаних з реальним простором-часом.

Друга умова, яка повинна включати в себе будь-яка завершена теорія - це припущення Ейнштейна про те, що гравітаційне поле представляється у вигляді викривленого простору-часу: частки прагнуть рухатися по траєкторіях, який заміняє у викривленому просторі-часу прямі, але, оскільки простір-час не плоске, ці траєкторії викривляються, як ніби на них діє гравітаційна нулі. Якщо Фейнмановские підсумовування по траєкторіях з'єднати з поданням Ейнштейна про гравітації, то тоді аналогом траєкторії однієї частки стане все викривлене простір-час, який представляє собою історію всього Всесвіту. Для того щоб уникнути технічних труднощів, які можуть зустрітися при конкретному обчисленні суми по історіях, скривлені чотиривимірні простору треба вважати евклідової. Це означає, що вісь часу мнима і не відрізняється від просторових осей. Для обчислення ймовірності того, що дійсне простір-час володіє деяким властивістю, наприклад виглядає однаково в усіх точках і у всіх напрямках, треба скласти хвилі, які відповідають всім тим історіям, які володіють цією властивістю.

У класичній загальної теорії відносності може існувати багато різних видів викривленого простору-часу, і всі вони відповідають різним початковим станам Всесвіту. Знаючи початковий стан нашого Всесвіту, ми знали б цілком всю її історію. Аналогічно у квантовій теорії гравітації можливо багато різних квантових станів Всесвіту, і точно так само, знаючи, як вели себе в ранні часи викривлені евклідови чотиривимірні простору в сумі по історіям, ми могли б визначити квантовий стан Всесвіту.

У класичній теорії гравітації, що використовує дійсне простір-час, можливі лише два типи поведінки Всесвіту: або вона існувала протягом нескінченного часу, або її початком була сингулярна крапка в якийсь кінцевий момент часу в минулому. У квантовій теорії гравітації ж виникає і третя можливість. Оскільки використовуються евклідови простору, в яких тимчасова і просторові осі рівноправні, простір-час, будучи кінцевим, може тим не менш не мати сингулярностей, що утворюють його межу або край. Тоді простір-час нагадувало б поверхню Землі з двома додатковими вимірами. Поверхня Землі має кінцеву протяжність, але у неї немає ні кордони, ні краю: поплив по морю у бік занепаду, ви не випала через край і не потрапите в сингулярність.

Якщо евклідів простір-час тягнеться назад по уявному часу до нескінченності або починається в сингулярної точки уявного часу, то, як і в класичній теорії відносності, виникає питання про визначення початкового стану Всесвіту - Бога, може бути, і відомо, яким був початок Всесвіту, але у нас немає ніяких підстав мислити це початок таким, а не іншим. Квантова ж теорія гравітації відкрила одну нову можливість: простір-час не має межі, і тому немає необхідності визначати поведінку на кордоні. Тоді немає і сингулярностей, в яких порушувалися б закони науки, а простір-час не має краю, на якому довелося б вдаватися до допомоги Бога або якого-небудь нового закону, щоб накласти на простір-час граничні умови. Можна було б сказати, що гранична умова для Всесвіту - відсутність кордонів. Тоді Всесвіт був би абсолютно самостійна і ніяк не залежала б від того, що відбувається зовні. Вона не була б створена, її не можна було б знищити. Вона просто існувала б.

Як і всяке теоретичне положення, воно може бути спочатку висунуто з естетичних чи метафізичних міркувань, але потім має пройти реальну перевірку - чи дозволяє воно робити прогнози, узгоджуються зі спостереженнями. У випадку квантової теорії гравітації така перевірка утруднена з двох причин. По-перше, як буде показано в наступному розділі, ми ще не маємо теорії, яка успішно поєднувала б загальну теорію відносності з квантовою механікою, хоча нам багато в чому відома форма, яку повинна мати така теорія. По-друге, будь-яка модель, детально описує весь Всесвіт, безсумнівно, буде в математичному відношенні занадто складна, щоб можна було на її основі виконувати точні обчислення. Тому в розрахунках неминучі спрощують припущення і наближення, і навіть при цьому завдання вилучення пророкувань залишається жахливо складною.

Якщо прийняти умову відсутності кордонів, то виявляється, що ймовірність розвитку Всесвіту але більшості можливих історій пренебрежимо мала, але існує деяке сімейство історій, значно більш вірогідних, ніж інші. Ці історії можна зобразити у вигляді як би поверхні Землі, причому відстань до Північного полюса відповідає уявному часу, а розміри кіл, всі крапки яких однаково віддалені від Північного полюса, відповідають просторовим розмірами Всесвіту. Всесвіт починається як точка на Північному полюсі. При просуванні на південь такі широтні окружності збільшуються, що відповідає розширенню Всесвіту з плином уявного часу. Всесвіт досягає максимального розміру на екваторі, а потім з плином уявного часу стискається в точку на Південному полюсі. Незважаючи на те, що на Північному та Південному полюсі розмір Всесвіту дорівнює нулю, ці точки будуть сингулярними не більше, ніж Північний і Південний полюс на поверхні Землі. Закони науки будуть виконуватися в них так само, як вони виконуються на Північному і Південному полюсах Землі.

Але в дійсному часу історія Всесвіту виглядає зовсім інакше. Десять чи двадцять тисяч мільйонів років тому розмір Всесвіту мав мінімальне значення, рівне максимальному радіусу історії в уявному часу. Потім, з плином дійсного часу, Всесвіт розширювалася відповідно до хаотичної моделлю роздування, запропонованої Лінде (але тепер вже немає потреби припускати, що Всесвіт був якимось чином створена в правильному стані). Всесвіт досягла дуже великих розмірів, а потім має знову стиснутися в щось, що має в дійсному часу вид сингулярності. Тому в якомусь сенсі всі ми приречені, навіть якщо будемо триматися подалі від чорних дір. Сингулярностей не буде лише в тому випадку, якщо уявляти собі розвиток Всесвіту в уявному часу.

Якщо Всесвіт насправді знаходиться в такому квантовому стані, то її історія в уявному часу не буде мати ніяких сингулярностей. Але, як вже зазначалося, головне значення теорем про сингулярності таке: вони показують, що гравітаційне поле повинно стати дуже сильним, так що не можна буде знехтувати квантовими гравітаційними ефектами. Саме це веде до висновку, що в уявному часу Всесвіт повинен бути кінцевою, але без кордонів і сингулярностей. Після повернення ж в реальний час, в якому ми живемо, виявляється, що сингулярності з'являються знову. Астронавт, що впав у чорну діру, все одно прийде до трагічного кінця, і тільки в уявному часу у нього не було б зустрічі з сингулярностями.

Може бути, варто було б укласти, що так зване уявне час - це насправді є час реальне, а те, що ми називаємо реальним часом, - просто плід нашої уяви. У дійсному часу у Всесвіті є початок і кінець, що відповідають сингулярності, які утворюють кордон простору-часу і в яких порушуються закони науки. У уявному ж часу немає ні сингулярностей, ні кордонів. Так що, можливо, саме те, що ми називаємо уявним часом, насправді більш фундаментально, а те, що ми називаємо часом реальним, - це якесь суб'єктивне уявлення, що виникло у нас при спробах описати, який ми бачимо Всесвіт. Тому не має сенсу питати, що ж реально - дійсний час або час уявне? Важливо лише, яке з них більше підходить для опису. Ми можемо тепер, користуючись методом підсумовування, по історіях і припущенням про відсутність кордонів, подивитися, якими властивостями Всесвіт може мати одночасно. Наприклад, можна обчислити ймовірність того, що Всесвіт розширюється приблизно з однаковою швидкістю в усіх напрямках у той час, коли щільність Всесвіту має сучасне значення. У спрощених моделях, якими ми до цих пір займалися, ця ймовірність виявляється досить значною; таким чином, умова відсутності кордонів призводить до висновку про надзвичайно високу ймовірність того, що сучасний темп розширення Всесвіту майже однаковий у всіх напрямах. Це узгоджується зі спостереженнями фону мікрохвильового випромінювання, які показують, що його інтенсивність у всіх напрямках майже однакова. Якщо б Всесвіт в одних напрямках розширювалася швидше, ніж в інших, то інтенсивність випромінювання в цих напрямках зменшувалася б за рахунок додаткового червоного зсуву.

Зараз вивчаються та інші наслідки з умови відсутності кордонів. Особливо цікава задача про малі відхилення щільності від однорідної щільності ранньому Всесвіті, в результаті яких виникли спочатку галактики, потім зірки і нарешті ми самі. У силу принципу невизначеності рання Всесвіт не може бути абсолютно однорідною, тому що повинні обов'язково бути присутнім деякі невизначеності в положеннях і швидкостях частинок - флуктуації. Виходячи з умови відсутності кордонів, ми знайдемо, що в початковому стані у Всесвіті дійсно повинна бути неоднорідність, мінімально можлива з точки зору принципу невизначеності. Потім Всесвіт пережила період швидкого розширення, як у моделях роздування. Протягом цього періоду початкові неоднорідності посилювалися, поки не досягли розмірів, достатніх, щоб пояснити походження тих структур, які ми бачимо навколо себе. У такій розширення Всесвіту, в якій щільність речовини слабо змінюється від місця до місця, розширення більш щільних областей під дією гравітації могло сповільнитися і перейти до стиснення. Це повинно привести до утворення галактик, зірок і, нарешті, навіть таких незначних істот, як ми. Таким чином, виникнення всіх складних структур, які ми бачимо у Всесвіті, можна пояснити умовою відсутності у неї кордонів у поєднанні з квантово-механічним принципом невизначеності.

З уявлення про те, що простір і час утворюють замкнену поверхню, випливають також дуже важливі слідства щодо ролі Бога в житті Всесвіту. У зв'язку з успіхами, досягнутими науковими теоріями в описі подій, більшість вчених прийшло до переконання, що Бог дозволяє Всесвіту розвиватися відповідно до певної системою законів і не втручається в її розвиток, не порушує ці закони. Але закони нічого не говорять нам про те, як виглядав Всесвіт, коли вона тільки виникла, - завести годинник і вибрати початок все-таки могло бути справою Бога. Поки ми вважаємо, що у Всесвіту був початок, ми можемо думати, що у неї був Творець. Якщо ж Всесвіт дійсно повністю замкнута і не має ні кордонів, ні країв, то тоді у неї не повинно бути ні початку, ні кінця: він просто є, і все! Чи залишається тоді місце для Творця?

Висновок

Кожній історичній епосі притаманний свій горизонт науки, своя обмеженість уявлень про природу речей, явищ, які оточують людину. Протягом тисячоліть людина не могла охопити поглядом свою планету. І спочатку він створював примітивні космологічні уявлення типу: «Земля тримається на трьох слонах».

Завдяки зусиллям М. Коперника, І. Кеплера та І. Ньютона більше 300 років тому горизонт астрономії був розширений за орбіту планети Сатурн. В. Гаршель відсунув його до краю Галактики, а зовсім недавно Хаббл - в далеке міжгалактичний простір. Нині не можна не відчувати почуття гордості від того, що людський розум виявився здатним розкривати таємниці далеких зірок і галактик, встановлювати закони їх будови та розвитку.