Упражнение №31

Ниже публикуется отрывок из книги В.С. Поликарпова «Современные проблемы науки». Внимательно прочитайте и найдите основные характеристики релятивистской, адиабатической, нейтронной концепций структуры Вселенной и определите, какое место занимает учение о структуре Вселенной в общей теории «Картины мира».

"Одной из фундаментальных нерешенных проблем современной космологии, - утверждает В.С. Поликарпов, - является задача исследования структуры Вселенной, чтобы понять место человека в ней и свойства других вселенных. Здесь существует целый набор различных теорий структуры Вселенной: релятивистская, адиабатическая, нейтринная и др. Новые мощные и общие методы ис­следования Вселенной (принципиально новые астрономические инстру­менты и выход в космос, превратившие астрономию во всеволновую и т.д.). Новые теоретические подходы (неизвестные ранее общие математи­ческие методы, алгоритмы и исчисления) обнаружили общность природы и типа структур разнородных систем во Вселенной. К ним относятся сущест­венная нестационарность множества систем всевозможного масштаба, фрактальный характер Вселенной и пр. В общем оказывается, что до сих пор в теории Вселенной как целого имеются зияющие пробелы: зарядовая асимметрия Вселенной, когда отсутствует антивещество, наличие массы у нейтрино, обнаружение международной группой исследователей в ходе эксперимента над Антарктидой, который носит название «Наблюдение внегалактического излучения с аэростата и исследования геомагнетиз­ма», что Вселенная является плоской (ее геометрия является евклидовой)' и т.д. Таким образом, пути познания не являются прямолинейными и по­этому в космологии существует несколько вариантов, описывающих структуру Вселенной.

Релятивистская теория, описывающая начальные возмущения метри­ки пространства в рамках теории горячей Вселенной, создана Е.М. Лифшицем и Г.А. Гамовым (1946 г.). Предполагается, что в момент t=10⁴ с или несколько позже, когда температура упала до 100 Мэв или ниже везде осуществляется локальное термодинамическое равновесие, везде имеется одинаковое отношение барионов (протонов и нейтронов), отнесенное к общему числу частиц. Тогда расширение Вселенной описывается уравне­ниями теории Фридмана, учитывающих малые возмущения плотности. скорости расширения и метрики пространства-времени. Понятно, что эти возмущения настолько малы, что можно проигнорировать их влияние на общее расширение, нуклеосинтез и все остальные свойства Вселенной как целого. Однако данные «возмущения принципиально важны для образова­ния структуры Вселенной», так как именно их рост с течением времени приводит к появлению структуры. Известно, что в этих начальных услови­ях недостаточно определены такие важнейшие параметры, как постоянная Хаббла, плотность барионов, общая плотность всех видов вещества, обусловленная массами частиц, список частиц, амплитуда возмущений: с точностью до нескольких процентов оказывается известной температура микроволнового фонового излучения.

И тем не менее, адиабатическая теория рождения структуры Вселенной вполне определенные, качественные предсказания, а именно: образование плотных областей начинается с отдельных тонких слоев - «блинов», чья толщина медленно возрастает, причем быстрее вдоль поверхности. Поверхности блинов пересекаются, образуя на них складки, как на поверхностях и линиях концентрируются галактики и скопления галактик. В областях между блинами плотность газа оказывается ниже средней, газ не нагрет, и поэтому галактики не возникают, что зафиксировано в больших черных областях. В результате перед нами ячеисто-сетчатая структура Вселенной, которая подтверждается наличием простирающихся на сотни миллионов световых лет огромных пузырей и слоев в распределении галактик.

Абатическая теория структуры Вселенной показывает, что вещество концентрируется в тонких слоях с плотностью во много раз выше и. Тогда внутренний слой газа сжимается адиабатически и возникают ударные волны в очень малой доле вещества и результатом является выраженная ячеисто-сетчатая структура с пустотами внутри ячеек. Сжатый в блинах газ дробится, превращается в отдельные галактики и далее в звезды. Данный процесс осуществляется под влиянием гравитационной неустойчивости в сжатом слое, тепловой неустойчивости сжатого нагретого газа и гидродинамической неустойчивости. В итоге происходящих усов возникает в блине турбулентность и происходит его распад на части - на галактики. Эта концепция способна объяснить существование во Вселенной больших пустот, в которых содержится вещество в форме ионизированного газа первичного состава (водород и гелий).

Заслуживает внимания нейтринная теория, возникшая в силу новой ситуации открытие возможной массы нейтрино порядка 30 электроновольт, данные о малой плотности обычного вещества (водорода и гелия) и о малой начальной амплитуде флуктуации плотности на основе исследования анизотропии микроволнового излучения. Тогда возникает кризис стан­ций теории образования структуры в горячей Вселенной с безмассовым нейтрино. «Видимая структура Вселенной определяется обычным веществом, потому что только такое вещество образует звезды и все остальные небесные тела, способные давать электромагнитное излучение, улавливаемое нашими приборами. Однако, с точки зрения фундаментальной и, в предположении, что эти нейтрино имеют массу, речь идет о поведении 5% вещества, т.е. об эффекте вторичном по отношению к движению и структуре скоплений нейтрино». В этом случае вполне применив теория блинов к нейтрино, о чем свидетельствуют специальные математические расчеты и определенные физические соображения.

Заслуживает внимания то обстоятельство, что советский физик А.Д Сахаров в своей работе «Начальная стадия расширения Вселенной и возникновение неоднородности распределения вещества» заложил основы нового направления в космологии - теории происхождения начального спектра возмущений для образования галактик и их скоплений. В соот­ветствии с точкой зрения большинства исследователей галактики образо­вались в результате нарастания из-за гравитационной неустойчивости ма­лых начальных неоднородностей, присутствовавших в ранней Вселенной:

«...чтобы найти эти начальные неоднородности, нужны дополнительные физические соображения или гипотезы. Это одна из главных проблем большой космологии». А.Д. Сахаров предположил, что в качестве таких затравочных догалактических возмущений могут быть квантовые флук­туации в распределении энергии, которые с необходимостью должны иметь место на стадии ранней Вселенной в силу квантово-механического принципа соотношений неопределенности Гейзенберга.

Исходя из намеченных основных принципов общей теории квантовых-космологических возмущений, им была сделана попытка применить их к конкретной холодной модели Вселенной, чтобы рассчитать амплитуду возникающих возмущений. Несмотря на то, что не оправдалась гипотеза о холодном барионном первичном веществе не оправдалась, основные идеи А.Д. Сахарова нашли свое воплощение в последовательной теории кванто­вых космологических возмущений. Сейчас большинство космологов счи­тает, что догалактические неоднородности обусловлены квантовыми нуле­выми колебаниями скалярных полей (а не холодного барионного вещест­ва), которые являются существенным компонентом современных моделей теории великого объединения. Эти поля обуславливают стадию раздува­ния (инфляцию), когда возникают масштабно-инвариантный (в отличие от работы А.Д. Сахарова) спектр догалактических неоднородностей. Полу­ченные успехи представляют собою часть самосогласованной картины ми­ра, в которой естественным образом получают свое разрешение такие мно­гие «извечные» космологические проблемы, как проблемы горизонта, од­нородности, плоскостности и др. «Гипотеза «раздувания» естественно объясняет, - подчеркивает А.Д. Сахаров, - многие астрофизические факты (от наблюдаемых изолированных магнитных полюсов - «монополей», почти «плоская» геометрия Вселенной и др.). Впрочем не исключено, найдены альтернативные объяснения. Неясен основной вопрос о ноля, вызывающего раздувание. Возможно, что разные состояния вакуума тут ни причем - просто мы живем в такой области Вселенной, где с самого начала присутствовало поле, обладающее отрицательным давлением, поэтому в нашей области Вселенной произошло раздувание. Существование подобных полей предполагается в некоторых современных теориях. В целом ситуация тут далека от ясности. Гипотеза раздувающейся Вселенной безусловно должна быть отвергнута, если обнаружится, что геометрия Вселенной далека от плоской «евклидовой». Таким образом. а объяснения существующей структуры Вселенной остается нерешенной, очевидно, эта увлекательная проблема получит свое решение в XXI столетии". (В.С. Поликарпов. Современные проблемы науки. Ростов-на-Дону - Таганрог, С.83 - 87).