Современные представления о вселенной

2. Основы современной космологии

Научная космология формируется в XX веке, а ее зарождение связанно с именем А. Эйнштейна, создавшего в 1916 г. Релятивистскую теорию тяготения (общую теорию относительности), которая стала теоретическим фундаментом науки о строении Вселенной. Он разработал стационарную замкнутую сферическую модель Вселенной, характерной чертой которой была конечность пространственного сечения, хотя с точки зрения внутренней геометрии это пространство представлялось неограниченным. В своей концепции Эйнштейн связал между собой пространство и время в единую ценность – пространственно-временной континуум (ПВК). ПВК Эйнштейна можно представить в виде четырехмерного цилиндрического мира с конечным трехмерным пространственным сечением и неограниченной осью времени.

В течении веков создавались различные космологические модели, но почти все они носили стационарный характер, то есть отражали статичность, неизменность Вселенной, ибо сама мысль о возможности ее эволюции казалась исследователям нелепой, абсурдной, противоречащей здравому смыслу.
Современный этап развития космологического знания начинается с работ замечательного российского ученого А.А. Фридмана. Основываясьна теории Эйнштейна, он в 1922 г. Доказал, что Вселенная не остается постоянной, неизменной во времени, а должна либо расширяться, либо сжиматься. На базе фридмановских решений возможно построение трех типов моделей Вселенной, вид которых определяется средней плотностью материи.
Если плотность материи равна критической rкр10г/см3, то пространство не искривляется, его геометрия евклидова, а Вселенная равномерно расширяется в бесконечность.

1. 
   При плотности меньшей критической кривизна пространства отрицательна, и Вселенная носит открытый характер, причем скорость ее расширения выше чем в первом случае.
   
2. 
   Если плотность материи больше критической, то пространство замкнутое с положительной кривизной. Вселенная имеет закрытый характер: она сначала расширяется до определенного деленного значения своего радиуса, а затем сжимается в точку.
   

Концепция А.А. Фридмана получила в 1929 г. Свое блестящее подтверждение: американский астроном Э. Хаббл, благодаря многочисленным наблюдениям установил факт расширения Вселенной, проявляющийся в разбегании (разлете) галактик. Данное открытием стало одним из величайших достижений современного естествознании, посредством которого была доказана глобальная эволюция вселенной.
В настоящее время пока еще не установлена средняя плотность космической материи, а следовательно невозможно с достаточной достоверностью указать, какому типу фридмановских моделей соответствует наша Вселенная.
Модели Фридмана по сути своей эволюционны, т.к. связывают нынешнее состояние Вселенной с ее предыдущей историей, указывая на коренное качественное отличие от ее начальных состояний. Особенностью всех этих моделей является наличие момента рождения Вселенной, когда она представляла собой однородное вещество высокой плотности, сконцентрированное в очень малом объеме. Стремительное расширение этого вещества на начальном этапе глобальной эволюции получило наименование «Большого взрыва».
Рассмотренные фридмановские модели применимы в основном к мегамиру. В области же микромира, а именно там произошел процесс зарождения нашей Вселенной, действуют иные законы, которые должны учитывать квантовые эффекты. В далеком прошлом – около 18 млрд. лет назад, размеры Вселенной были микроскопичны, а плотность и температура достигали огромных значений. Такое состояние ученые назвали сингулярным.
В конце сороковых годов американский ученый русского происхождения Д.Ж. Гамов выдвигает концепцию горячего происхождения Вселенной в которой рассматриваются ядерные реакции, протекавшие в плотном веществе на начальных этапах. Температура здесь была чрезвычайно высокой и падала по мере возвышения Вселенной. Концепция Гамова сделала два важнейших предсказания, подтвержденные в последствии астрономическими наблюдениями. Во первых, вещество из которого на определенном этапе глобальной эволюции сформировались первые звезды и галактики состояло в основном из водорода (75%) и гелия (25%). Во вторых, в современной Вселенной присутствует слабое электромагнитное излучение, названное реликтовым, оставшееся от начальных этапов расширения.
Концепция происхождения Вселенной в результате Большого взрыва стала в настоящее время общепринятой, а астрономы дали ей название «стандартной модели». Начальное стремительное расширение Вселенной характеризовалось колоссальными плотностью, давлением и температурой (100 млрд. градусов по Цельсию). В таких условиях никакие формы жизни зародиться не могли, существовали лишь элементарные частицы в виде ионизированной плазмы. Поэтому данная концепция научно обосновывает тот факт, что живая материя а затем и разум могли появиться только на определенном этапе эволюции самой Вселенной, когда для этого сформировались естественные предпосылки.
К концу первых трех минут температура резко упала до 1 млрд. градусов, что позволило протонам и нейронам объединиться с образованием ядер водорода и гелия. Когда возраст Вселенной достиг несколько сотен тысяч лет материя уже охладилась до трех тысяч К. это привело к соединению электронов с ядрами водорода и гелия и возникновению их атомов. Через семьсот тысяч лет появившейся газ стал конденсироваться под действием сил гравитации в определенные сгустки, из которых затем и шло образование звезд и галактик. В дальнейшим уже в нутрии звезд происходили процессы синтезахимических элементов.
Спонтанное расширение Вселенной (большой взрыв) имеет коренное отличие от взрывных процессов окружающего нас макромира, где вещество разлетается сквозь пространство. Во Вселенной с разлетом вещества одновременно расширяется (раздувается) и само ее пространство. Причем, на каждом этапе данного расширения качественно менялась структура; вначале появляется ионизированная плазма затем возникают материальные частицы, из которых зарождаются звезды, из звезд формируются звездные системы галактики.