Введення.

Проблема зародження та існування Всесвіту в усі часи займала людство. Небо, яке було доступне для його огляду,дуже його цікавило. Недарма астрономія вважається однією з найдавнішихнаук. Для вивчення всесвіту в цілому, в астрономії з'явилася нова наука -космологія.

За визначенням А.Л. Зеяьманова (1913-1987) космологія - цесукупність накопичених теоретичних положень про будову речовини іструктуру Всесвіту, як цілісного об'єкту, так і окремі наукові знанняохопленої астрономічними спостереженнями світу як частини Всесвіту.

Висновки космології називаються моделями походження і розвитку
Всесвіту. Чому моделями? Справа в тому, що одним з основних принципівсучасного природознавства є можливість проведення керованогоексперименту над досліджуваним об'єктом. Тільки якщо можна провести будь-якийкількість експериментів і всі вони приводять до одного результату, то наоснові цих експериментів роблять висновок про наявність закону, якомупідпорядковується функціонування даного об'єкту. Лише в цьому випадку результатвважається достовірним з наукової точки зору.

До Всесвіту це методологічне правило залишається непридатна.
Наука формулює універсальні закони, а Всесвіт є унікальною. Цепротиріччя, яке вимагає вважати всі висновки про походження тарозвиток Всесвіту не законами, а лише моделями, тобто можливимиваріантами пояснення.

Теорії ХХ ст. про походження Всесвіту.

Найбільш загальноприйнятою в космології є модель однорідноїізотропної нестаціонарної гарячої розширюється Всесвіту, побудована наоснові загальної теорії відносності та релятивістської теорії тяжіння,створеної Альбертом Ейнштейном в 1916 році. В основі цієї моделі лежать дваприпущення: 1) властивості Всесвіту однакові у всіх її точках
(однорідність) і напрямки (ізотропності); 2) найкращим відомимописом гравітаційного поля є рівняння Ейнштейна. З цьогослід так звана кривизна простору і зв'язок, кривизни з щільністюмаси. Космологія, засновану на цих постулатах називають релятивістської.
Важливим пунктом даної моделі є її нестаціонарність, це означає,що Всесвіт не може перебувати в статичному, незмінномустані.

Новий етап у розвитку релятивістської космології був пов'язаний здослідженнями російського вченого А.А. Фрідмана (1888-1925), якийматематично довів ідею котра саморозвивається Всесвіту. Робота А. А. Фрідманадокорінно змінила основоположні колишнього наукового світогляду. За йоготвердженням космологічні початкові умови утворення Всесвіту булисингулярними. Роз'яснюючи характер еволюції Всесвіту, що розширюється починаючиз сингулярного стану, Фрідман особливо виділяв два випадки:а) радіус кривизни Всесвіту з часом постійно зростає,починаючи з нульового значення;б) радіус кривизни змінюється періодично: Всесвіт стискається в точку (уніщо, сингулярні стан), потім знову з точки, доводить свій радіус додеякого значення, далі знову, зменшуючи радіус своєї кривизни,звертається в точку, і т.д.

На цей висновок не було звернуто уваги аж до відкриттяамериканським астрономом Едвіном Хабблом в 1929 році так званого
«Червоного зсуву». Вигляд - це зниження частотелектромагнітного випромінювання: у видимій частині спектру лінії зміщуються до йогочервоному кінця. Виявлений раніше ефект Доплера було зазначено, що при видаленнівід нас якого-небудь джерела коливань, сприймається вами частотаколивань зменшується, а довжина хвилі відповідно збільшується. Привипромінюванні відбувається «почервоніння», тобто лінії спектра зсуваються вбік більш довгих червоних хвиль.

Так от, для всіх далеких джерел світла червоне зміщення булозафіксовано, причому, чим далі було джерело, тим більшоюступеня. Вигляд виявилося пропорційно відстані доджерела, що й підтверджує гіпотезу про видалення їх, тобто про розширення
Метагалактика - видимої частини Всесвіту.

Складовою частиною моделі розширюється Всесвіту єуявлення про Великого Вибуху, що сталося, десь приблизно 12 -18 млрд.років тому.

Джордж Лемер був першим, хто висунув концепцію «Великого вибуху»з так званого «первісного атома» і подальшого перетворення йогоосколків в зірки і галактики. Звичайно, з боку сучасногоастрофізичного знання дана концепція представляє лише історичнийінтерес, але сама ідея первісного вибухонебезпечного руху космічноїматерії та її подальшого еволюційного розвитку невід'ємною частиною увійшлав сучасну наукову картину світу.

Принципово новий етап у розвитку сучасної еволюційноїкосмології пов'язаний з ім'ям американського фізика Г. А. Гамова (1904-1968),завдяки якому в науку увійшло поняття гарячого Всесвіту. Згіднозапропонованої їм моделі «початку» еволюціонує Всесвіту «первоатом»
Леметра складався з сильно стиснутих нейтронів, щільність яких досягаладивовижної величини - один кубічний сантиметр первинної речовини важивмільярд тонн. В результаті вибуху цього «первоатома» на думку Г. А. Гамоваутворився всоеобраений космологічний котел з температурою близько треймільярдів градусів, де і стався природний синтез хімічнихелементів. Осколки первинного яйця - окремі нейтрони потім розпалися наелектрони і протони, які, у свою чергу, з'єднавшись з нераспавшімісянейтронами, утворили ядра майбутніх атомів. Все це відбулося в перші 30хвилин після «Великого Вибуху.

Гаряча модель являла собою конкретну астрофізичнугіпотезу, що вказує шляхи дослідної перевірки своїх наслідків. Гамовпередбачив існування в даний час залишків теплового випромінюванняпервинної гарячої плазми, а його співробітники Дльфер і Герман ще в 1948 р.досить точно розрахували величину температури цього залишкового випромінюваннявже сучасної Всесвіту. Однак Гамову і його співробітникам не вдалося датизадовільне пояснення природному освіти та розповсюдженоговажких хімічних елементів у Всесвіті, що стало причиноюскептичне ставлення до його теорії з боку фахівців. Яквиявилося, запропонований механізм ядерного синтезу не міг забезпечитивиникнення спостережуваного нині кількості цих елементів.

Учені стали шукати інші фізичні моделі «початку». В 1961 роціакадемік Я.Б. Зельдович висунув альтернативну холодну модель, згідно зякої первісна плазма складалася із суміші холодних (з температуроюнижче абсолютного нуля) вироджених частинок - протонів, електронів інейтрино. Три роки по тому астрофізики І.Д. Новиков та А.Г. Дорошкевичпровели порівняльний аналіз двох протилежних моделей космологічнихпочаткових умов - гарячої і холодної і вказали шлях дослідної перевірки івибір однієї з них. Було запропоновано за допомогою вивчення спектра випромінюваньзірок і космічних радіоджерела спробувати виявити залишкипервинного випромінювання. Відкриття залишків первинного випромінювання підтверджувалоб правильність гарячої моделі, а якщо вони не існують, то це будесвідчити на користь холодної моделі.

Наприкінці 60-х років група американських вчених на чолі з Р. Діккеприступила до спроб виявити реліктове випромінювання. Але їх випередили Л.
Пепзіас і Р. Вільсон, що отримали в 1978 р. Нобелівську премію за відкриттямікрохвильового фону (це офіційна назва реліктового випромінювання) нахвилі 7,35 см.

Примітно, що майбутні лауреати Нобелівської премії не шукалиреліктове випромінювання, а в основному займалися налагодженням радіоантени, дляроботи за програмою супутникового зв'язку. З липня 1964 по квітень 1965 р. вонипри різних положеннях антени реєстрували космічне випромінювання,природа якого спочатку була їм не ясна. Цим випромінюванням і виявилосяреліктове випромінювання.

Таким чином, в результаті астрономічних спостережень останньогочасу вдалося однозначно вирішити принципове питання про характерфізичних умов, що панували на ранніх стадіях космічноїеволюції: найбільш адекватною виявилася гаряча модель «початку». Сказане,однак, не означає, що підтвердилися всі теоретичні затвердження івисновки космологічної концепції Гамова. З двох вихідних гіпотез теорії --про нейтронному складі «космічного яйця» і гарячому стані молодий
Всесвіту - перевірку часом «витримала« тільки «остання, яка вказує накількісне переважання випромінювання над речовиною біля витоків ниніспостережуваного космологічного розширення.

Сучасна наука про походження Всесвіту.

На нинішній стадії розвитку фізичної космології на передній планвисунулася завдання створення теплової історії Всесвіту, особливосценарію освіти великомасштабної структури Всесвіту. Останнітеоретичні дослідження фізиків велися у напрямку наступноїфундаментальної ідеї: в основі всіх відомих типів фізичнихвзаємодій лежить одне універсальне взаємодію; електромагнітну,слабка, сильна і гравітаційне взаємодії є різнимигранями єдиного взаємодії, що розщеплює у міру зниження рівняенергії відповідних фізичних процесів. Інакше кажучи, при дужевисоких температурах (що перевищують визначені критичні значення)різні типи фізичних взаємодій починають об'єднуватися, а намежі всі чотири типи взаємодії зводяться до одного єдиногопротовзаімодействію, званому «Великим синтезом».

Згідно квантової теорії те, що залишається після видалення частокматерії (наприклад, з будь-якого закритого судини за допомогою вакуумногонасоса), зовсім не є порожнім в буквальному розумінні слова, як цевважала класична фізика. Хоча вакуум не містить звичайних частинок, віннасичений «напівживим», так званими віртуальними тільцями. Щоб їхперетворити на справжні частки матерії, досить порушити вакуум,наприклад, впливати на нього електромагнітним полем, що створюєтьсявнесеними до нього зарядженими частинками.

Але що ж все таки стало причиною «Великого Вибуху»? Судячи зданими астрономії фізична величина космологічної постійною,фігурує в ейнштейнівської рівняннях тяжіння, дуже мала, можливоблизька до нуля. Але навіть будучи таким нікчемним, вона може викликатидуже великі космологічні наслідки. Розвиток квантової теорії поляпризвело до ще більш цікавих висновків. Виявилося, що космологічнапостійна є функцією від енергії, зокрема залежить відтемператури. При надвисоких температурах, що панували на самихранніх фазах розвитку космічної матерії, космологічна постійна моглабути дуже великий, а головне, позитивною по знаку. Говорячи іншимисловами, у далекому минулому вакуум міг перебувати в надзвичайно незвичайномуфізичний стан, що характеризується наявністю потужних сил відштовхування.
Саме ці сили і послужили фізичної причиною «Великого Вибуху» іподальшого швидкого розширення Всесвіту.

Розгляд причин та наслідків космологічного «Великого
Вибуху »було б не повним без ще одного фізичного поняття. Мова йде протак званому фазовому переході (перетворення), тобто якісномуперетворення речовини, що супроводжується різкою зміною одного йогостану іншим. Радянські вчені-фізики Д.А. Кіржніц і А.Д. Лінде першимизвернули увагу на те, що в початковій фазі становлення Всесвіту, коликосмічна матерія знаходилася в сверхгорячем, але вже захололому стані,могли відбуватися аналогічні фізичні процеси (фазові переходи).

Подальше вивчення космологічних наслідків фазових переходів з порушеною симетрією призвело до нових відкриттів і теоретичнимузагальнень. Серед них виявлення раніше невідомої епохи в саморозвитку
Всесвіту. Виявилося, що в ході космологічного фазового переходу вонамогла досягти стану надзвичайно швидкого розширення, при якому їїрозміри збільшилися у багато разів, а щільність речовини залишаласяпрактично незмінною. Вихідним же станом, який дав початокроздувається Всесвіту, вважається гравітаційний вакуум. Різкі зміни,супутні процесу космологічного розширення просторухарактеризуються фантастичними цифрами. Так передбачається, що всяспостережувана Всесвіт виник з єдиного вакуумного міхура розміромменше 10 в мінус 33 ступені см! Вакуумний міхур, з якогоутворилася наш Всесвіт, мав масою, яка дорівнює всього-на-всього однієїстотисячним частку грама.

В даний час ще немає всебічно перевіреної і визнаноювсіма теорії походження великомасштабної структури Всесвіту, хочавчені значно просунулися в розумінні природних шляхів їїформування та еволюції. З 1981 року почалася розробка фізичної теоріїроздувається (інфляційної) Всесвіту. До теперішнього часу фізикамизапропоновано кілька варіантів даної теорії. Передбачається, щоеволюція Всесвіту, що почалася з грандіозного общекосміческогокатаклізму, що назване «Великим Вибухом», в подальшому супроводжуваласянеодноразової зміною режиму розширення.

Згідно з припущеннями вчених, через 10 в мінус сорок третійступеня секунд після «Великого Вибуху» щільність сверхгорячей космічноїматерії була дуже висока (10 в 94 ступені грам/см кубічний). Високабула і щільність вакууму, хоча по порядку величини вона була значно меншещільності звичайної матерії, а тому гравітаційний ефект первісноїфізичної «порожнечі» був непомітний. Однак в холі розширення Всесвітущільність і температура речовини падали, тоді як щільність вакуумузалишалася незмінною. Ця обставина привела до різкої змінифізичної ситуації вже через 10 у мінус 35 ступені секунди після
«Великого Вибуху». Щільність вакууму спочатку порівнюється, а потім, черезкілька сверхмгновеній космічного часу, стає більше її. Тодіі дає про себе знати гравітаційний ефект вакууму - його сили відштовхуваннязнову беруть верх над силами тяжіння звичайної матерії, після чого
Всесвіт починає розширюватися в надзвичайно швидкому темпі (роздувається) іза нескінченно малу частку секунди досягає величезних розмірів. Однак цейпроцес обмежений у часі і просторі. Всесвіт, подібно будь-якомурозширюється газу, спочатку швидко охолоджується і вже в районі 10 в мінус 33ступеня секунди після Великого Вибуху »сильно переохолоджується. УВнаслідок цього общевселенческого «похолодання» Всесвіт від однієїфаза переходить в іншу. Мова йде про фазовому переході першого роду --стрибкоподібному зміну внутрішньої структури космічної матерії і всіхпов'язаних з нею фізичних властивостей і характеристик. На завершальній стадії цього космічного фазового переходу весь енергетичний запасвакууму перетворюється на теплову енергію звичайної матерії, а в підсумкувселенческая плазма знову підігрівається до початкової температури, івідповідно відбувається зміна режиму її розширення.
Не менш цікавий, а в глобальній перспективі важливіший іншийрезультат новітніх теоретичних досліджень - принциповаможливість уникнення початковій сингулярності в її фізичному сенсі.
Мова йде про абсолютно новий фізичному погляді на проблему походження
Всесвіту.

Виявилося, що всупереч деякими недавніми теоретичним прогнозами
(Про те, що початкову сингулярність не вдасться уникнути і при квантовомуузагальненні загальної теорії відносності) існують певнімікрофізіческіе фактори, які можуть перешкоджати безмежного стисненнюречовини під дією сил тяжіння.
Ще в кінці тридцятих років було теоретично виявлено, що зірки змасою, що перевищує масу Сонця більш ніж у три рази, на останньому етапісвоєї еволюції нестримно стискаються до сінгуляторного стану. Останняна відміну від сингулярності космологічного типу, що іменується фрідмановской,називається шварцшільдовскім (за ім'ям німецького астронома, впершерозглянуло астрофізичні слідства енштейновской теорії тяжіння).
Але з чисто фізичної точки зору обидва типи сингулярності ідентичні.
Формально вони відрізняються тим, що перший сингулярність є початковимстаном еволюції речовини, тоді як друга - кінцевим.

Згідно з недавнім теоретичним уявленням гравітаційнийколапс має завершитися стиском речовини буквально «в точку» - достану нескінченної щільності. За новітнім ж фізичним уявленнямколапс можна зупинити десь в районі планковской величини щільності,тобто на рубежі 10 в 94 ступені грам/див кубічний. Це означає, що
Всесвіт відновлює своє розширення не з нуля, а маючи геометричнопевний (мінімальний) обсяг і фізично прийнятне, регулярнестан.

Академік М.А. Марков висунув цікавий варіант пульсуючою
Всесвіту. У логічної рамці цієї космологічної моделі старітеоретичні труднощі, якщо не вирішуються остаточно, то, по крайнеймірі, висвітлюються під новим перспективним кутом зору. Модель заснована нагіпотезі згідно з якою при різкому зменшенні відстані константи всіхфізичних взаємодій прагнуть до нуля. Дане припущення --наслідок іншого припущення, згідно з яким константа гравітаційноговзаємодії залежить від ступеня щільності речовини.

Відповідно до теорії Маркова, кожного разу, коли Всесвіт зфрідмановской стадії (кінцеве стиск) переходить у стадію десіттеровскую
(початкове розширення), її фізико-геометричні характеристики виявляютьсяодними й тими ж. Марков вважає, що умови цього цілком достатньо дляподолання класичного труднощі на шляху фізичної реалізації вічноосціллірующімі Всесвіту.

Що ж очікує наш Всесвіт в майбутньому, якщо вона буденеобмежено розширюватися? Про процес продовжується розширення нашої
Всесвіту свідків майже всі дані спостережень. У міру розширенняпростору матерія, стає все більше розрідження, галактики та їхскупчення все більше віддаляються один від одного, а температура фоновоговипромінювання наближається до абсолютного нуля. З часом всі зірки завершатьсвій життєвий цикл і перетворяться або в білих карликів, остигає достану холодних чорних карликів, або в нейтронні зірки або чорнідірки. Ера що світиться речовини закінчиться, і темні маси речовини,елементарні частинки і холодне випромінювання будуть безглуздо розлітатися вбезперервно розряджаються порожнечі.

Втім, чорні дірки не залишаться без роботи. Маючи на те доситьчасу, чорні діри поглинуть величезна кількість речовини всесвіту.

Якщо теорія Хокінга вірна, то чорні дірки будуть продовжувати випускативипромінювання, але чорних дірок (з масою рівною масі Сонця) буде потрібно дужетривалий час, перш ніж це помітно змінить щось. Фонове випромінюванняохолоне набагато раніше, ніж чорні дірки почнуть випромінювати більше, ніж вонибудуть поглинати з цього фонового випромінювання. Такий момент настане тоді,коли вік Всесвіту стане приблизно в десять мільйонів разів більшепередбачуваного на сьогодні Має пройти близько 10 66 років, перш ніж чорнідірки сонячної маси почнуть вибухати, викидаючи потоки часток івипромінювання.

Дж. Берроу з Оксфордського університету і Ф. Тіплер з
Каліфорнійського університету в своїх роботах намалювали картину віддаленогомайбутнього необмежено розширюється Всесвіту. Навіть всередині староїнейтронної зірки зберігається ще достатньо енергії, щоб час від часуповідомляти частинок, що знаходяться поблизу її поверхні, швидкість, яка перевищуєшвидкість тікання. Передбачається, що в результаті цього через доситьтривалий час вся речовина нейтронної зірки повинно випаруватися.
Розпадуться і чорні дірки, викликавши народження (у рівних пропорціях) частинок іантичастинок. На думку Берроу і Тіплера, якщо запас енергії у Всесвітідостатній лише для того, щоб забезпечити її необмежене розширення,то ефект електричного тяжіння в електронно-позитронного парахпереважить і гравітаційне тяжіння і загальне розширення Всесвіту якцілого. За певний кінцевий час всі електрони проаннігіліруют звсіма позитрона. У кінцевому підсумку останній стадії еуществующей матеріївиявляться не розлітаються холодні темні тіла і чорні дірки, а безберегеморе розрідженого випромінювання, остигаючого до кінцевої, всюди однаковою,температури.
Другий закон термодинаміки показує, що кінець еволюції Всесвітунастане, коли вирівняється температура її речовини. Так як теплопередасться від більш теплих тіл до більш холодним, відмінність їх температур зчасом згладжується, здійснення подальшої роботи стає неможливим.
Ця думка про «теплової смерті» Всесвіту була висловлена ще в 1854 р. Г.
Гельмгодьдем (1821-1894) Цікаво, що наше сучасне уявлення пронеобмежено розширюється Всесвіту разом з концепцією квантовоговипромінювання чорних дір, яка заснована на аналогії між гравітацією ітермодинаміки, призвели до тих самих висновків, що зробив Гельмгольц.Ми НЕможемо знати точно, який буде результат протиборства розширення селищ ігравітаційного тяжіння її речовини. Якщо переможе тяжіння, то
Всесвіт коли-небудь склапсірует в процесі Великого стиснення, якеможе виявився кінцем її існування, або прелюдією до нового розширення.
Якщо ж сили тяжіння програють «бій», то розширення будетривати необмежено довго, але тяжіння буде продовжувати гратиістотну роль у визначенні остаточного стану речовини. Речовинаможе перетворитися на безмежне море однорідного випромінювання, абопродовжиться розсіювання темних холодних мас. У неясному далекому майбутньомуминула епоха зоряної активності може виявитися лише найкоротшиммиттю в нескінченній життя Всесвіту.

Список використаної літератури

1. Марочник Л.С., НасельскіЙ П.Д. «Всесвіт: вчора, сьогодні, завтра»,збірник «Космонавтика, астрономія», випуск № 2 за 1983 г.

2. Новиков І.Д. «Еволюція Всесвіту», 3 видання, «Наука», Москва, 1993 р.

3. Як влаштована машина часу? - М.: Знание, 1991. 48с.
(Передплатна науково-популярну серію "Знак питання"; № 5).

4. Хто, Як, Чому? гос. изд. дет. лит. . Міністерство Освіти
РРФСР, М. - 1961.

5. Що шукають "археологи космосу"? - М.: Знание, 1989. - 48 с., С ил .-- (Новое в жизни, науці, техніці. Сер. "Знак питання"; № 12)

6. Що таке? Хто такий? : У 3 т. Т. 1. - 3-е изд., Перераб.
"Педагогіка-прес", 1992. - 384 с. : Ил.