Понятие Вселенной

В традиционном смысле под Вселенной понимают всю совокупность качественно различных форм материи. В более узком смысле под Вселенной понимают физическую реальность, доступную астрономическим наблюдениям. Более правильно такую Вселенную называть метагалактикой. Однако уже со времен русских космистов (Федоров, Флоренский, Соловьев, Бердяев и другие) формировался более широкий подход к пониманию Вселенной, суть которого в признании того, что и человек, и все, что его окружает - это частицы единого организма, где все взаимосвязано. Особенно ценной была идея, что мысль, сознание есть такая же принадлежность природы, как и звезды, микробы, камни и прочее. В среде естествоиспытателей к этим идеям были близки Циолковский, Менделеев, Сеченов и другие. Поэтому под Вселенной мы будем понимать всю совокупность объективной и субъективной реальности как материального, так и идеального плана.

Формирование современных представлений о структуре и истории Вселенной (космология) во многом обязано успехам астрономии.

Масштабы физической Вселенной грандиозны. Об этом, в частности, свидетельствует ряд цифр. Так, например, наша галактика «Млечный путь» содержит приблизительно 100 миллиардов звезд, среди которых наше Солнце является вполне заурядной звездой. Галактика имеет диаметр порядка 90000 световых лет. Галактики отделены друг от друга гигантскими межгалактическими пространствами. Так ближайшая к нам галактика «Туманность Андромеды», которая примерно в два раза больше нашей, удалена от нас на 2 миллиона световых лет. Существуют и скопления галактик, содержащие от десятков до тысяч членов. В структуре физической Вселенной различают также и сверхскопления галактик, которые представляют собой уплощенные образования размером до 150 миллионов световых лет. Вся наблюдаемая часть физической Вселенной называется метагалактикой. Она имеет радиус порядка 10 млрд. св. лет.

В 20-х годах было обнаружено, что световые спектры всех галактик по структуре практически не отличаются от спектров светил нашей галактики, но почему-то практически все они смещены в «красную» сторону, и чем дальше от нас галактика, тем сильнее «красное смещение» спектра. Было выдвинуто множество объяснений этого факта, однако все они не выдержали критики за исключением одного из них, основанного на эффекте Доплера: если источник волн удаляется от наблюдателя, то наблюдатель фиксирует увеличение длины волны (например, смещение светового спектра в красную сторону), если же источник волн приближается к наблюдателю, то фиксируется укорочение волн (например, смещение спектра в синюю сторону). То есть «красное смещение» спектров далеких галактик свидетельствует о том, что все далекие галактики удаляются от нас. Позже Э. Хаббл сформулировал закон, который теперь носит его имя.

Закон Хаббла: Все далекие галактики удаляются от нас со скоростями, прямо пропорциональными расстояниям до них.

Скорость удаления оценивается постоянной Хаббла Н = 15 км/с на каждый миллион световых лет расстояния между галактиками. Значит, чем дальше от нас галактика, тем быстрее она от нас удаляется. То есть, либо мы находимся в центре Вселенной, и все почему-то от нас «убегают», либо следует искать какой-то другой ответ, который может в корне расходиться с привычными обыденными представлениями.

Существует множество моделей, пытающихся как-то избежать кризиса рассудка. Однако наиболее логичная модель несет в себе парадокс, не поддающийся рассудочному осмыслению. Согласно данной модели Вселенная представляет собой расширяющуюся четырехмерную сферу.

Понять это нашим трехмерным умом невозможно. Однако мы в состоянии провести аналогию, которая несколько сглаживает кризис непонимания. Представьте себе раздувающийся воздушный шар, на котором нанесены точки - галактики (рис.3.1). По мере раздувания шара все точки на его поверхности будут удаляться друг от друга, и из каждой точки будет казаться, что остальные точки удаляются от нее. Причем чем дальше две точки друг от друга, тем быстрее их взаимное разбегание в полном соответствии с законом Хаббла. Например, отрезок АС на рис.3.1 по мере раздувания шара будет расти быстрее, чем отрезок АВ. Всех быстрее будут удаляться друг от друга диаметрально противоположные точки, например А и D. На рисунке у нашего шара есть особая точка D, из которой надувается шар. Во Вселенной, конечно же, такого нет, все точки абсолютно равноправны. Каждая точка на этой модели существует в двухмерном мире, то есть на поверхности трехмерной сферы, но каждая область нашего реального мира трехмерна. Если замкнуть наш трехмерный мир в четвертом измерении, мы получим четырехмерную сферу, трехмерная поверхность которой является нашей физической Вселенной в данный момент времени.

Рис. 3.1

Зная расстояние и скорость удаления какой-либо галактики от нас, можно рассчитать, когда это расстояние было равно нулю. Это дает значение возраста Вселенной. Так, если расстояние между двумя галактиками в настоящее время L = св. лет, то согласно закону Хаббла она удаляется от нас со скоростью V = 15 км/с = 473· км/год = 5· св. лет/год. Если принять, что на протяжении всего времени существования Вселенной это движение было равномерным, то началось оно порядка 20 миллиардов лет назад (T = L/V = /5· = 2· лет). Такое же число можно получить и для любой другой галактики. То есть около 20 миллиардов лет назад все галактики находились в одной точке (сингулярности).

Что представляла собой данная сингулярность, мы можем только догадываться. По некоторым соображениям сингулярность - это абсолютное ничто, полная пустота. Так, по словам известного астрофизика Дж. Силка, «очень ранняя Вселенная, возможно, была пуста».

Однако абсолютная пустота не имеет ничего общего с обыденным пониманием пустоты. Физической аналогией абсолютного ничто может служить вакуум, который на субквантовом уровне флуктуирует короткоживущими виртуальными (воображаемыми) частицами, которые рождаются из ничего в паре со своими античастицами, а затем бесследно гибнут во взаимной полной аннигиляции. Эта модель вакуума получила образное название «Море Дирака». Некоторые опыты полностью подтверждают справедливость данной модели. Так уже классическим является опыт с вакуумным конденсатором (рис.3.2), между обкладками которого при определенной величине напряженности электростатического поля начинают рождаться «из ничего» электрон-позитронные пары. Это те самые виртуальные частицы, которые «растаскиваются» мощным сторонним полем конденсатора, после чего каждая частица начинает самостоятельное реальное существование.

Рис. 3.2

Переход Вселенной из «ничего» в физическую реальность произошел самопроизвольно в результате так называемого «Большого взрыва», причины которого неизвестны. Мы можем только догадываться о тех процессах, которые происходили в первые мгновения рождения Вселенной. Тем более не понятно нам, что было до Большого взрыва. Похоже на то, что само время родилось в момент Большого взрыва, поэтому времени «до взрыва» просто не было.

Аналогичная картина возникает и с понятием пространства: до Большого взрыва пространства не было, оно родилось вместе с самой Вселенной. Кроме того, вероятно, есть смысл говорить и о пределах Вселенной, за которыми физическая реальность не существует. Если мы проведем вокруг себя сферу, радиусом приблизительно 20 млрд. св. лет (рис.3.3), то очертим тем самым горизонт Вселенной. Если за горизонтом Вселенной находится хотя бы одна галактика, то согласно закону Хаббла она должна удаляться от нас со скоростью, превышающей скорость света, а это запрещено теорией относительности. То есть за горизонтом Вселенной, по-видимому, физической реальности не существует. Это также один из парадоксов, не укладывающийся в рамки обыденного трехмерного мышления. Но если применить для понимания данного феномена описанную выше сферическую модель Вселенной, то можно выйти за рамки и этого парадокса. Если принять, что диаметр расширяющейся четырехмерной сферы Вселенной (отрезок AD) увеличивается со скоростью света, то горизонт Вселенной вырождается в одну точку D, диаметрально противоположную точке наблюдателя А. Эта точка удаляется от наблюдателя со скоростью света и видна по всем направлениям поля зрения наблюдателя. То есть данная точка как бы «размазывается» по всему горизонту Вселенной. Поэтому попытки выйти за пределы горизонта Вселенной равносильны попыткам войти внутрь математической точки, не имеющей пространственных размеров.

Рис. 3.3

Вообще все эти парадоксы снимаются, если применить для понимания информационную модель Вселенной. Но это уже предмет отдельного курса.