Эволюция Вселенной: от начала до наших времен

ВСЕЛЕ́ННАЯ, весь на­блю­дае­мый ма­те­ри­аль­ный мир, вклю­чаю­щий в се­бя все кос­мич. сис­те­мы со всем их ве­ще­ст­вом и энер­ги­ей, со все­ми про­ис­хо­дя­щи­ми в них яв­ле­ния­ми, а так­же его тео­ре­ти­че­ски до­пус­кае­мое про­дол­же­ние. В., ис­сле­дуе­мая ас­тро­но­мич. сред­ст­ва­ми, – это лишь часть ма­те­ри­аль­но­го ми­ра, дос­туп­ная изу­че­нию на дан­ном эта­пе раз­ви­тия нау­ки; ино­гда эту часть В. на­зы­ва­ют Ме­та­га­лак­ти­кой. Зна­ния, по­лу­чен­ные при изу­че­нии Ме­та­га­лак­ти­ки, экс­т­ра­по­ли­ру­ют­ся на ещё не ох­ва­чен­ные на­блю­де­ния­ми и ис­сле­до­ва­ния­ми об­лас­ти ми­ра, вна­ча­ле обыч­но лишь пред­по­ла­гае­мые. В. со­дер­жит раз­но­об­раз­ные ти­пы объ­ек­тов, раз­ли­чаю­щих­ся раз­ме­ра­ми и мас­сой, – от эле­мен­тар­ных час­тиц, ато­мов и мо­ле­кул до пла­нет, звёзд, га­лак­тик, ско­п­ле­ний га­лак­тик и за­пол­няю­ще­го про­стран­ст­во ме­ж­ду ни­ми дис­перс­но­го ве­ще­ст­ва (га­за, пы­ли), а так­же фи­зич. по­ля. Кро­ме из­вест­ных ви­дов ма­те­рии во Все­лен­ной, весь­ма ве­ро­ят­но, при­сут­ст­ву­ют ве­ще­ст­ва и по­ля не­изв. фи­зич. при­ро­ды, про­яв­ляю­щие се­бя пу­тём гра­ви­та­ци­он­но­го взаи­мо­дей­ст­вия с на­блю­дае­мы­ми объ­ек­та­ми. Раз­дел фи­зи­ки и ас­тро­но­мии, за­ни­маю­щий­ся изу­че­ни­ем В. как це­ло­го, на­зы­ва­ет­ся кос­мо­ло­ги­ей. В. – наи­бо­лее ши­ро­кое обоб­щаю­щее по­ня­тие, сис­те­ма­ти­зи­рую­щее ас­тро­но­мич. све­де­ния об ок­ру­жаю­щем ми­ре.

Развитие представлений о Вселенной

На ран­них эта­пах ис­то­рии ци­ви­ли­за­ции «го­ри­зонт В.» на­хо­дил­ся на рас­стоя­нии все­го по­ряд­ка со­тен ки­ло­мет­ров. К нач. 21 в. В. ис­сле­ду­ет­ся уже до рас­стоя­ний бо­лее 10 млрд. све­то­вых лет. В ис­то­рич. ас­пек­те по­ня­тие «В.» кон­цен­три­ру­ет в се­бе ас­тро­но­мич., фи­зич., фи­лос. пред­став­ле­ния ци­ви­ли­за­ции. По­это­му по­ня­тие «В.» яв­ля­ет­ся со­ци­аль­но-гео­гра­фи­че­ски и ис­то­ри­че­ски развиваю­щим­ся в со­от­вет­ст­вии с уров­нем ци­ви­ли­за­ции, осо­бен­но с её ас­тро­но­мич. по­зна­ния­ми и пред­став­ле­ния­ми. С вы­хо­дом ци­ви­ли­за­ции с ре­гио­наль­но­го на гло­баль­ный уро­вень и раз­ви­ти­ем нау­ки Но­во­го вре­ме­ни пред­став­ле­ния о В. всё в боль­шей ме­ре ста­ли ос­но­вы­вать­ся на дос­ти­же­ни­ях ас­тро­но­мии и фун­да­мен­таль­ной фи­зи­ки.

В раз­ви­тии наи­бо­лее об­щих пред­став­ле­ний о В. мож­но вы­де­лить сле­дую­щие эта­пы (они не все­гда под­да­ют­ся чёт­кой да­ти­ров­ке в разл. ре­гио­нах).

То­по­цен­три­че­ская В. дои­сто­ри­че­ско­го или ран­не­го ис­то­ри­че­ско­го эта­па раз­ви­тия че­ло­ве­че­ст­ва поя­ви­лась у изо­ли­ро­ван­ных пле­мён и ло­каль­но су­ще­ст­вую­щих ци­ви­ли­за­ций, субъ­ек­тив­но ощу­щаю­щих ме­сто сво­его оби­та­ния цен­тром В. (та­кие пред­став­ле­ния о В. со­хра­ни­лись до на­ших дней в не­ко­то­рых пле­ме­нах, напр., Но­вой Гви­неи). В наи­бо­лее раз­ви­тых ва­ри­ан­тах та­ких мо­де­лей В. пред­став­ля­лась, как пра­ви­ло, до­ста­точ­но про­тя­жён­ной (в Древ­ней Ин­дии да­же бес­ко­неч­ной) пло­ской Зем­лёй, на­кры­той ку­по­лом не­ба (Древний Ки­тай, Древ­ний Еги­пет, ци­ви­ли­за­ции Сре­ди­зем­но­мо­рья, Ви­зан­тии и др.).

Гео­цен­три­че­ские мо­де­ли В. по­яви­лись в ран­ней ан­тич­но­сти. Сре­ди ар­гу­мен­тов в их поль­зу, в ча­ст­но­сти в обос­но­ва­ние сфе­рич­но­сти Зем­ли, бы­ли и со­вер­шен­но кор­рект­ные с точ­ки зре­ния совр. нау­ки. Напр., Пи­фа­гор (6 в. до н. э.) от­ме­чал круг­лую тень Зем­ли на Лу­не во вре­мя лун­ных за­тме­ний.

Ло­ги­че­ски по­сле­до­ва­тель­ная гео­цен­трич. мо­дель В. по­строе­на в 4 в. до н. э. Ари­сто­те­лем (вслед за Ев­док­сом Книд­ским). Боль­шой объ­ём на­блю­да­тель­ных све­де­ний о В. по­лу­чен Гип­пар­хом (2 в. до н. э.). Гео­цен­три­че­ская сис­те­ма ми­ра, по­зво­ляю­щая до­ста­точ­но точ­но опи­сы­вать дви­же­ния не­бес­ных тел, раз­ра­бо­та­на К. Пто­ле­ме­ем (2 в.). Пто­ле­мее­ва сис­те­ма ми­ра бы­ла в 12 в. ка­но­ни­зи­ро­ва­на ка­то­лич. цер­ко­вью, что на­дол­го за­дер­жа­ло раз­ви­тие пред­став­ле­ний о Все­лен­ной.

Гео­цен­трич. кар­ти­ну ми­ра сме­ни­ла ге­лио­цен­три­че­ская мо­дель В. – кар­ти­на об­шир­ной, но ко­неч­ной В. с цен­тром, в ко­то­ром на­хо­дит­ся Солн­це. Пер­вые идеи о по­доб­ной сис­те­ме со­дер­жа­лись ещё в тру­дах Ари­стар­ха Са­мос­ско­го (3 в. до н. э.). Но впер­вые на­уч­но обос­но­ван­ная ге­лио­цен­три­че­ская сис­те­ма ми­ра раз­ра­бо­та­на Н. Ко­пер­ни­ком в сер. 16 в. Сис­те­ма Ко­пер­ни­ка со­дер­жа­ла пред­став­ле­ния о строе­нии В. как о Сол­неч­ной сис­те­ме – Солн­це с пла­нета­ми, рас­по­ло­жен­ны­ми в пра­виль­ном по­ряд­ке, с дос­та­точ­но вер­ны­ми от­но­си­тель­ны­ми рас­стоя­ния­ми – и очень уда­лён­ной сфе­ре звёзд. Ра­ди­каль­но уточ­нил дви­же­ния пла­нет в ге­лио­цен­трич. сис­те­ме Ко­пер­ни­ка И. Ке­п­лер в нач. 17 в., вве­дя за­ко­ны дви­же­ния пла­нет (Ке­п­ле­ра за­ко­ны).

В кон. 16 в. Дж. Бру­но, опи­ра­ясь на идеи Ни­ко­лая Ку­зан­ско­го, воз­ро­дил древ­нюю идею Лев­кип­па, Де­мок­ри­та и др. о бес­ко­неч­но­сти В., её ацен­трич­но­сти и о мно­же­ст­вен­но­сти оби­тае­мых ми­ров. Та­ким бес­пре­дель­ным ми­ром звёзд (солнц), их пла­нет­ных сис­тем и ко­мет ста­ла бес­ко­неч­ная Все­лен­ная И. Нью­то­на (1660-е гг.), в ос­но­ву ко­то­рой бы­ла по­ло­же­на его идея тя­го­те­ния. На 200 лет Все­лен­ная Нью­то­на ока­за­лась стерж­невым эле­мен­том на­уч. кар­ти­ны ми­ра. Эво­лю­ци­он­но-фи­зич. со­дер­жа­ние в мир Нью­то­на вно­си­ли ес­те­ст­во­ис­пы­та­те­ли, фи­ло­со­фы и ас­тро­но­мы. Так, И. Кант (сер. 18 в.) ввёл пред­став­ле­ние об эво­лю­ции В., У. Гер­шель (кон. 18 в.) «раз­дви­нул» го­ри­зон­ты В. за пре­де­лы Сол­неч­ной сис­те­мы, от­крыв звёзд­ную сис­те­му – Га­лак­ти­ку. Солн­це вхо­дит в неё лишь как од­на из со­тен мил­ли­ар­дов звёзд. По су­ще­ст­ву, Гер­шель «рас­ши­рил» В. и даль­ше, пред­ста­вив Га­лак­ти­ку как один из мно­же­ст­ва эле­мен­тов («пла­стов») круп­но­мас­штаб­ной струк­ту­ры Все­лен­ной.

Во 2-й пол. 19 в. Л. Больц­ман пред­ло­жил идею флук­туа­ций как вы­ход из тер­мо­ди­на­мич. па­ра­док­са – «те­п­ло­вой смер­ти» Все­лен­ной. Идея Больц­ма­на о ве­ду­щей ро­ли во В. флук­туа­ций не ис­чер­па­ла се­бя до на­стоя­ще­го вре­ме­ни. Так, в совр. кос­мо­ло­гии на­блю­да­ет­ся тен­ден­ция вос­при­ни­мать В. (по­доб­ные на­шей Ме­та­га­лак­ти­ке и да­же бо­лее круп­но­мас­штаб­ные) как ги­гант­ские флук­туа­ции ва­куу­ма фи­зи­че­ско­го. Не­об­хо­ди­мость пре­одо­ле­ния др. кос­мо­ло­ги­че­ских па­ра­док­сов – фо­то­мет­ри­че­ско­го и гра­ви­та­ци­он­но­го – спо­соб­ст­во­ва­ла даль­ней­ше­му со­вер­шен­ст­во­ва­нию об­щей кар­ти­ны Все­лен­ной.

Но­вый этап в раз­ви­тии на­уч. пред­став­ле­ний о В. на­чал­ся с по­строе­ния А. Эйн­штей­ном об­щей тео­рии от­но­си­тель­но­сти (ОТО; 1916–17). При­ло­же­ние ОТО к кос­мо­ло­гии при­ве­ло к пред­став­ле­нию о бес­ко­неч­ной во вре­ме­ни, ста­ти­че­ской, без­гра­нич­ной, но, бла­го­да­ря кри­виз­не и замк­ну­то­сти про­стран­ст­ва, ко­неч­ной мо­де­ли В. В 1922 А. А. Фрид­ман тео­рети­че­ски от­крыл не­ста­цио­нар­ность В. в це­лом. В сер. 1920-х гг. Э. Хаббл от­крыл мир га­лак­тик, а в кон. 1920-х гг. – рас­ши­ре­ние В. Эти от­кры­тия да­ли ос­но­ва­ние для вве­де­ния по­ня­тия «Все­лен­ная Хабб­ла» как рас­ши­ряю­ще­го­ся ми­ра га­лак­тик – Ме­та­га­лак­ти­ки, «на­шей Все­лен­ной».

Важ­ным эта­пом в раз­ви­тии пред­став­ле­ний о В. ста­ло по­строе­ние в кос­мо­логии ин­фля­ци­он­ной мо­де­ли Все­лен­ной (1980-е гг., А. Гут, А. Д. Лин­де), а за­тем тео­рии сто­хас­ти­че­ской ин­фля­ции (Лин­де). С по­зи­ций по­след­ней тео­рии В. бес­ко­неч­на в про­стран­ст­ве и вре­ме­ни, а на­ша рас­ши­ряю­щая­ся Ме­та­га­лак­ти­ка – лишь од­на из не­во­об­ра­зи­мо­го мно­же­ст­ва В. Они об­ла­да­ют разл. про­стран­ст­вен­ны­ми и вре­мен­ны́­ми раз­мер­но­стя­ми, в них дей­ст­ву­ют др. фи­зич. за­ко­ны из-за раз­ли­чия зна­че­ний фун­да­мен­таль­ных фи­зи­че­ских кон­стант. На во­прос, по­че­му в на­шей В. фи­зич. за­коны и фун­да­мен­таль­ные по­сто­ян­ные имен­но та­кие, как есть, а не иные, один из воз­мож­ных от­ве­тов да­ёт ан­троп­ный прин­цип. Раз­ра­ба­ты­ва­ют­ся мо­де­ли мак­си­маль­но не­од­но­род­ной В., по­стро­ен­ной на прин­ци­пе «чем даль­ше от на­шей В., тем бо­лее от­лич­ны фи­зич. за­ко­ны, дей­ст­вую­щие во Все­лен­ной».

Материалы по теме

Основные виды взаимодействия – гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное – являлись частью одной силы из-за высокой температуры, вследствие чего ни одна из уже тогда потенциально существовавших, но не материализовавшихся частиц не имела массы как таковой. Все на тот момент симметричное пространство было заполнено абсолютно идеальным газом, созданным из все еще тогда виртуальных частиц.

Впоследствии симметрия нарушается, а гравитация отделяется от других сил взаимодействия. Примерно тогда первые частицы – бозоны – обретают массу, но затем почти сразу распадаются на кварки, нейтрино, электроны, мюоны и т.п.. Появляется ядерное взаимодействие. Вселенная по размеру достигает отметки 10 сантиметров.

Современные представления о Вселенной

Воз­раст «на­шей В.» (рас­ши­ряю­щей­ся Ме­та­га­лак­ти­ки) со­став­ля­ет ок. 14 млрд. лет. Плот­ность её (по­ряд­ка 10–29 г/см3) близ­ка к кри­ти­че­ской (см. Кри­ти­че­ская плот­ность Все­лен­ной), что со­от­вет­ст­ву­ет плос­ко­му про­стран­ст­ву-вре­ме­ни. Ком­по­нен­ты плот­но­сти (%): звёз­ды ок. 0,5; ба­рио­ны (в осн. меж­га­лак­ти­че­ский газ) ок. 4; не­ба­ри­он­ная скры­тая мас­са («тём­ная ма­те­рия») ок. 22; ней­три­но ок. 0,3; ан­ти­гра­ви­ти­рую­щий ва­ку­ум («тём­ная энер­гия») ок. 74.

Не­смот­ря на ма­лую до­лю за­клю­чён­ной в нём мас­сы, ба­ри­он­ное ве­ще­ст­во яв­ля­ет­ся наи­бо­лее за­мет­ным во В. Из не­го со­сто­ят звёз­ды и меж­звёзд­ная сре­да – газ и пыль, час­тич­но объ­е­ди­нён­ные в пла­не­ты. Хи­мич. эво­лю­ция ве­ще­ст­ва в совр. В., а так­же осн. про­цес­сы энер­го­вы­де­ле­ния в ней свя­за­ны со звёз­да­ми и их эво­лю­ци­ей. Тер­мо­ядер­ные ре­ак­ции в не­драх звёзд вы­зы­ва­ют пре­вра­ще­ние лёг­ких хи­мич. эле­мен­тов в бо­лее тя­жё­лые, вплоть до же­ле­за; а са­мые тя­жё­лые эле­мен­ты ро­ж­да­ют­ся при взры­вах сверх­но­вых звёзд. Сжа­тие ядер про­эво­лю­цио­ни­ро­вав­ших звёзд при­во­дит к ро­ж­де­нию сверх­плот­ных объ­ек­тов – бе­лых кар­ли­ков, ней­трон­ных звёзд и чёр­ных дыр; при этом вы­де­ля­ет­ся зна­чи­тель­ная гра­ви­та­ци­он­ная энер­гия. Из­лу­че­ние нор­маль­ных звёзд яв­ля­ет­ся прак­ти­че­ски един­ствен­ным ис­точ­ни­ком энер­гии, спо­соб­ным под­дер­жи­вать жизнь на по­верх­но­сти пла­нет.

Звёз­ды ие­рар­хи­че­ски объ­е­ди­не­ны в сис­те­мы всё бо­лее и бо­лее круп­ного мас­шта­ба. Си­лой гра­ви­та­ции они свя­за­ны в двой­ные, трой­ные и ещё бо­лее слож­ные крат­ные сис­те­мы. Зна­чи­тель­ная часть звёзд по край­ней ме­ре не­ко­то­рую часть сво­ей жиз­ни про­во­дит в со­ста­ве звёзд­ных ско­п­ле­ний, со­дер­жа­щих от со­тен до мил­лио­нов звёзд в ка­ж­дом. Мо­ло­дые звёз­ды, их ско­п­ле­ния и свя­зан­ное с ни­ми меж­звёзд­ное ве­ще­ст­во час­то объ­е­ди­не­ны в звёзд­ные ком­плек­сы раз­ме­ром в сот­ни пар­сек и мас­сой в мил­лио­ны масс Солн­ца. От­дель­ные звёз­ды, их ско­п­ле­ния и ком­плек­сы, плот­ные об­ла­ка меж­звёзд­но­го га­за и раз­ре­жен­ная меж­об­лач­ная сре­да объ­е­ди­не­ны в га­лак­ти­ки мас­са­ми от де­сят­ков мил­лио­нов до со­тен мил­ли­ар­дов масс Солн­ца и раз­ме­ра­ми от не­сколь­ких ты­сяч до со­тен ты­сяч све­то­вых лет. В центр. об­лас­тях га­лак­тик пре­об­ла­да­ет ба­ри­он­ное (звёзд­ное) ве­ще­ст­во, но на их пе­ри­фе­рии всё за­мет­нее ста­но­вит­ся при­сут­ст­вие не­ба­ри­он­ной, скры­той мас­сы, ко­то­рая в це­лом пре­ва­ли­ру­ет в мас­се круп­ных га­лак­тик.

Боль­шин­ст­во га­лак­тик об­ра­зу­ет не­боль­шие груп­пы, а за­мет­ная часть (ок. 10%) – бо­лее круп­ные ско­п­ле­ния из со­тен и да­же мн. ты­сяч га­лак­тик. Эти ско­п­ле­ния, имею­щие ха­рак­тер­ный раз­мер в мил­лио­ны све­то­вых лет, ор­га­ни­зо­ва­ны в ещё бо­лее круп­ные струк­ту­ры – сверх­ско­п­ле­ния га­лак­тик раз­ме­ром в де­сят­ки мил­лио­нов све­то­вых лет, раз­де­лён­ные пус­то­та­ми та­ко­го же мас­шта­ба. Со­при­ка­саю­щие­ся ме­ж­ду со­бой сверх­ско­п­ле­ния и пус­то­ты ме­ж­ду ни­ми об­ра­зу­ют со­то­вую или, точ­нее, пе­но­об­раз­ную струк­ту­ру. Но и она не­од­но­род­на: в ней за­мет­ны уп­лот­не­ния мас­шта­бом в сот­ни мил­лио­нов све­то­вых лет – т. н. ве­ли­кие сте­ны. С пе­ре­хо­дом от струк­тур ма­ло­го мас­шта­ба ко всё бо­лее круп­ным кон­тра­сты плот­но­сти сни­жа­ют­ся, так что с уве­ли­че­ни­ем про­стран­ст­вен­но­го мас­шта­ба В. вы­гля­дит всё бо­лее и бо­лее од­но­род­ной.

К нач. 21 в. важ­ней­ши­ми не­ре­шён­ны­ми про­бле­ма­ми в изу­че­нии В. пред­став­ля­ют­ся сле­дую­щие: рас­ши­ре­ние на­шей В. и его на­чаль­ные ста­дии от ис­ход­ной син­гу­ляр­но­сти; про­бле­ма Ве­ли­ко­го объ­е­ди­не­ния осн. фи­зич. взаи­мо­дей­ст­вий (вклю­чая гра­ви­та­ци­он­ное); про­ис­хо­ж­де­ние и эво­лю­ция круп­но­мас­штаб­ной струк­ту­ры Ме­та­га­лак­ти­ки; про­бле­ма жиз­ни и ра­зу­ма во В. Су­ще­ст­ву­ет так­же про­бле­ма при­ро­ды фун­дам. объ­ек­тов не­клас­сич. ха­рак­те­ра, та­ких как чёр­ные ды­ры. Со­глас­но не­ко­то­рым пред­став­ле­ни­ям, их по­ни­ма­ние ле­жит за пре­де­ла­ми ОТО и тре­бу­ет по­строе­ния кван­то­вой тео­рии гра­ви­та­ции. Ос­та­ёт­ся от­кры­той и про­бле­ма объ­яс­не­ния при­ро­ды и «ме­ха­низ­ма дей­ст­вия» та­ких важ­ных и ха­рак­тер­ных объ­ек­тов В., как ак­тив­ные яд­ра га­лак­тик, ква­за­ры и гам­ма-вспле­ски. Так, толь­ко в не­дав­ние го­ды бы­ло до­ка­за­но, что гам­ма-вспле­ски – это да­лё­кие ме­та­га­лак­ти­че­ские со­бы­тия, энер­ге­ти­че­ски наи­бо­лее мас­штаб­ные в из­вест­ной В. Рас­смат­ри­ва­ет­ся так­же воз­мож­ность наб­лю­де­ния сре­ди объ­ек­тов на­ше­го не­ба (с по­зи­ций ин­фля­ци­он­ной В.) Боль­ших взры­вов, про­ис­хо­дя­щих в на­ча­ле ро­ж­де­ния др. все­лен­ных.

Развитие

Электроны и позитроны, как частицы и античастицы, а также бозоны и некоторые другие частицы, как, например, нейтралино, при столкновении друг с другом вызывают процесс аннигиляции, во время которого образуются фотоны. Их количество уже тогда значительно превышает число всех существующих на тот момент кварков. Примерно в то же время все частицы достигают между собой равновесия.

Эволюция Вселенной: краткий обзор

Вселенная продолжает остывать. Ее температура доходит почти до отметки 10*15К, а размеры становятся действительно внушительными — до миллиарда километров. Происходит еще одно нарушение симметрии, и, как следствие, все четыре вида взаимодействия становятся отдельными силами. Термодинамическое равновесие бозонов нарушилось, а те частицы, что раньше не имели своей массы, обрели ее.

Вселенная продолжает расширяться, а ее температура и уровень энергии – падать. Появляются стабильные барионы (нейтроны, протоны), что формируются из кварков и образуют барионную материю, то есть ту, из которой состоим мы и почти все, что нас окружает. Продолжается образование фотонов за счет аннигиляции. На данный момент эти частицы достаточно сильно остыли (до 2.7К) и являются частью микроволнового фона в космосе – реликтового излучения, что было обнаружено учеными относительно недавно – в 1964 году. На этом примерно и заканчивается первая секунда существования Вселенной.