вселенная

ВСЕЛЕННАЯ - вся окружающая нас часть материального мира, доступная наблюдению. Такое определение В. соответствует употреблению этого термина в совр. физ. и астрономич. науч. лит-ре; оно более конкретно по содержанию, чем старое определение В. как всего объективно существующего мира. В. содержит разнообразные типы объектов, различающихся размерами и массой,- от элементарных частиц, атомов и молекул в малых масштабах до планет, звёзд, галактик, скоплений галактик и дисперсного вещества (газа, пыли) в больших масштабах, а также физ. поля (гравитационное, электромагнитное и др.). Совр. естествознание рассматривает В. как один из конкретных объектов науч. исследования, единственным специфич. свойством к-рого является его единичность, уникальность. Для изучения В. и её свойств используется обычная методология, принятая в естеств. науках, хотя во В. существуют условия и протекают процессы, недоступные для земных лабораторий. При этом важнейшим постулатом является принцип, что фундам. законы природы (в частности, законы физики), установленные и проверенные в лаб. экспериментах на Земле, остаются верными для всей В. и все явления, наблюдаемые во В., могут быть объяснены на основе этих законов. Раздел физики и астрономии, занимающийся изучением В. как целого, наз космологией. В прошлом неоднократно возникали дискуссии о том, могут ли такие физ. св-ва В., как конечность или бесконечность её временного существования и пространственного объёма, быть выведены из общефилософских соображений без использования данных наблюдений и конкретных физ. теорий. В настоящее время общепризнано, что ответ на этот вопрос является отрицательным. Поскольку В. не обязательно исчерпывает собой весь объективно существующий материальный мир, допустима гипотеза о существовании др. вселенных. Эти вселенные рассматриваются пока чисто умозрительно, они могут быть либо всегда отъединёнными от нашей В., либо иметь общее с ней происхождение от одной первичной правселенной. Последняя возможность реализуется, напр., в нек-рых вариантах модели раздувающейся Вселенной.

Основные характеристики современной Вселенной. 1. Расширение В. Все галактики, за исключением нескольких самых близких к нашей Галактике, удаляются от неё (и друг от друга) со скоростями, к-рые на расстояниях 10 Мпк=3*10²⁵ см с большой точностью удовлетворяют Хаббла закону (скорость определяется по доплеровскому смещению спектральных линий в спектрах галактик). Величина H зависит только от времени. Её значение в настоящий момент времени H₀ наз. постоянной Хаббла и, по совр. данным, находится в пределах (50-100) км/(с*Мпк)(1,6-3,2)*10^-18 с^-1 (точность проверки закона Хаббла значительно выше, чем точность определения коэф. пропорциональности H₀). Закон Хаббла относится к нерелятивистскому пределу , при он видоизменяется таким образом, что скорость удаления не превышает скорости света (доплеровское красное смещение z остаётся конечным). Наиболее удалённые от нас видимые объекты - квазары - обладают значениями красного смещения до , что отвечает расстоянию более 5000 Мпк. Поверхность, соответствующая бесконечному z, наз. совр. космологическим горизонтом. Радиус горизонта совпадает с расстоянием, к-рое свет проходит за время расширения В. от сингулярности космологической; по порядку величины , точное значение R зависит от конкретной космологической модели. Горизонт представляет собой границу наблюдаемой в настоящий момент части В. С течением времени космологич. горизонт расширяется. Постоянная Хаббла H₀ определяет также возраст В. (отсчитанный от космологич. сингулярности) Особую роль в космологии играет т. н, критическая плотность (от соотношения с ней плотности вещества В. зависит. в частности, судьба В. в будущем). При значениях Н₀=50 км/(с*MпK) и =4,7*10^-30 г/см* радиус горизонта12000 4*10²⁸ см, а возраст В.13 млрд. лет.

2. Плотность вещества во В. резко падает при переходе от малых масштабов к большим: от громадных значений 10¹⁴ г/см³ в атомных ядрах (а также в нейтронных звёздах) до 1 г/см³ на планетах и звёздах главной последовательности,10^-24 г/см³ в Галактике и в размере всей видимой части В, В космологии плотность вещества выражают обычно в долях от : . Оценки кол-ва "светящегося" вещества (звёзд и газа в галактиках) дают0,01-0,02. В то же время из результатов измерений "вириальной" массы групп и скоплений галактик (т.е. массы, вычисленной по средней относительной скорости галактик с помощью вириала теоремы)следует, что 0,1-0,3. Различие между этими числами составляет суть проблемы скрытой массы (т. е. тёмного, несветящегося вещества) во В. Физ. природа скрытой массы ещё не определена. Совр. данные не позволяют исключить существование к--л. вида материи во В., к-рый не концентрируется вокруг галактик и их скоплений и пространственное распределение к-рого однородно на масштабах 10 Мпк. Существуют довольно слабые ограничения сверху на величину полной плотности массы-энергии вещества во В., вытекающие из условия, что возраст В. должен быть больше возраста Земли или к--л. др. объекта во В. (напр., шарового звездного скопления). Ни один из этих пределов не противоречит значению 1, выделенному в модели раздувающейся В.

3. Химический состав вещества во Вселенной. Видимое вещество во В. состоит в осн. из водорода (80-70% по массе) и гелия ⁴He (20-30% соответственно). Остальных хим. элементов значительно меньше; их распространённость согласуется с теоретич. концепцией, согласно к-рой вещество во В. до образования звёзд представляло собой водород и ⁴He в указанной пропорции с малой примесью ²H, ³He и Li, а все более тяжёлые элементы образовались в звёздах (см. Нуклеосинтез, Распространенность элементов). Во В. не обнаружено заметного кол-ва антивещества (за исключением малой доли антипротонов в космических лучах; эти антипротоны, по-видимому, возникли в нашей Галактике). T. о., В. является несимметричной по барионному заряду (вещество преобладает над антивеществом, см. Барионная асимметрия Вселенной).

4. Реликтовое излучение (микроволновое фоновое излучение ).В. заполнена эл--магн. излучением с чернотельным спектром и темп-рой Т=2,7 К (см. Планка закон излучения). Его плотность энергии в долях критической 10^-4 при H₀=50 км/(с*Мпк). Реликтовое излучение не могло быть произведено звёздами, оно осталось от ранних стадий эволюции В.- отсюда его название. Реликтовое излучение с большой точностью изотропно: его темп-ра не зависит от направления. Наблюдается анизотропия темп-ры реликтового излучения дипольного типа с относит. амплитудой. Её можно полностью приписать движению Солнечной системы со скоростью 400 км/с относительно космологически выделенной инерциальной системы отсчёта, в к-рой реликтовое излучение в среднем покоится. Наблюдаются также сезонные вариации амплитуды дипольной анизотропии, соответствующие изменению скорости 30 км/с, к-рые вызваны вращением Земли вокруг Солнца (это даёт своеобразное новое "космологическое" доказательство правильности гелиоцентрич. системы Коперника). После исключения дипольного компонента анизотропия темп-ры реликтового излучения не обнаруживается на уровне 3*10^-5, соответствующем чувствительности совр. измерений. Совр. теории образования галактик и крупномасштабной структуры Вселенной предсказывают, однако, что недипольная анизотропия должна существовать на более низком уровне (~10^-5).

5. Однородность, изотропия и структурность В. Из изотропии реликтового излучения с точностью выше 10^-4 вытекает, что В. однородна и изотропна с такой же точностью в масштабе совр. горизонта Мпк, где h₀=Н₀/[50 км/(с*Мпк)]. Это подтверждается также малостью отклонений от закона Хаббла для объектов на больших расстояниях и изотропным распределением удалённых радиоисточников по небу. В. остаётся однородной и изотропной на расстояниях Мпк, но с меньшей точностью. В. обладает заметно выраженной ячеисто-сетчатой структурой в масштабах Мпк. Эта структура состоит из групп и скоплений галактик, образующих вытянутые "нити" - филаменты, к-рые пересекаются между собой и создают связную трёхмерную сетку. В местах пересечения филаментов, как правило, располагаются богатые скопления галактик. Между филаментами находятся дыры - области, в к-рых практически нет нормальных галактик. Cp. размер дыр Мпк, ср. толщина филаментов Мпк. Существование ячеисто-сетчатой структуры удаётся объяснить (пока в качественном виде) в рамках фридмановской модели В. с адиабатическими флуктуациями плотности вещества.

Прошлое Вселенной. Динамика В. как целого определяется гравитац. взаимодействием тел (см. Тяготение)и описывается ур-ниями общей теории относительности (ОТО). Это вызвано тем, что гравитац. взаимодействие является единственным, к-рое не экранируется и не насыщается (а наоборот, усиливается) с увеличением кол-ва вещества, в результате чего оно доминирует над др. взаимодействиями в достаточно больших масштабах. Из однородности и изотропии В. в больших масштабах следует, что в этих масштабах она хорошо аппроксимируется моделью Фридмана с малыми возмущениями однородности (см. Космологические модели ).Оценку степени однородности В. в меньших масштабах можно получить косвенным образом из факта отсутствия значит. кол-ва первичных чёрных дыр (если они вообще существуют во В., то ср. плотность их массы должна быть существенно меньше критической). Из этого вытекает, что в недавнем прошлом В. была однородной и изотропной в меньших масштабах. Осн. качественные выводы, следующие из анализа фридмановской модели В.: а) В. нестационарна (она расширяется), плотности энергии вещества и излучения монотонно падают с течением времени (с расширением В.); б) в прошлом плотность энергии излучения значительно превосходила плотность энергии вещества, темп-pa В. была высокой (см. Горячей Вселенной теория); в) при темп-ре Т~10⁹ К во В. происходил нуклеосинтез, в результате к-рого выработался указанный выше первичный хим. состав вещества во В.; г) если не учитывать квантово-гравитац. эффектов (см. Квантовая теория гравитации), то в нек-рый ещё более ранний момент времени во В. должна была иметь место космологич. сингулярность, при этом плотность вещества и излучения была бесконечной. Однако уже при конечной, хотя и громадной плотности массы-энергии г/см³ классич. представления о пространстве и времени (в частности, понятие эволюции со временем) теряют смысл, а общая теория относительности, на основании к-рой строятся космологич. модели, становится неприменимой. Этот момент, разделяющий квантовое и классич. пространство-время, иногда условно наз. "началом" или "рождением" нашей В. (разумеется, он ни в каком смысле не является началом для всего материального мира). Начальную стадию расширения В., когда плотности энергии вещества и излучения, а также темп-ра были высоки, наз. иногда Большим Взрывом.

Поведение В. вблизи сингулярности во многом определяет её совр. свойства. В частности, именно вблизи сингулярности формируются флуктуации (отклонения В. от однородности и изотропии), к-рые ответственны за образование галактик и крупномасштабной структуры В. и приводят к возникновению угл. анизотропии темп-ры реликтового излучения (см. Первичные флуктуации в горячей В.). В модели раздувающейся В. спектр первичных флуктуации удаётся выразить через фундам. физ. постоянные - параметры квантовой теории всех полей, включая гравитационное. Топология трёхмерного пространственного сечения В. также определяется начальными условиями вблизи сингулярности и не изменяется в ходе дальнейшего расширения В. (см. Топология Вселенной ).Наконец, изучение прошлого В. позволяет получить важную, хотя и косвенную информацию о свойствах элементарных частиц, в т. ч. слабовзаимодействующих, при энергиях вплоть до планковской ~10¹⁹ ГэВ (такие энергии недостижимы в земных условиях).

Будущее Вселенной. Ур-ния ОТО дают возможность, в принципе, рассчитать эволюцию В. в будущем. Во фридмановских моделях В. существуют две альтернативы: либо вечное расширение В. с неограниченным уменьшением ср. плотности вещества, если ; либо, если и нет положительной космологической постоянной, смена в будущем расширения В. сжатием, к-рое оканчивается сингулярностью. Ввиду неопределённости в оценке , вызванной гл. обр. наличием скрытой массы и трудностью определения плотности энергии однородной компоненты материи во В., отличной от реликтового излучения, в настоящее время нельзя точно предсказать судьбу В. вплоть до сколь угодно больших времён. Однако вполне возможны предсказания на конечные времена; напр., если принять, что постоянная Хаббла 50 км/(с*Мпк), а возраст В. 10 млрд. лет (что, вероятно, имеет место), и исключить экзотич. гипотезы вроде существования отрицат. энергии вакуума (отрицат. космологич. постоянной), то расширение В. будет продолжаться ещё не менее 20 млрд. лет, что существенно превышает срок активной жизни звёзд главной последовательности, в т. ч. Солнца.

Принцип Коперника и антропологический принцип в изучении В. Со времён Коперника в астрономии и космологии с успехом применялся методологич. принцип, согласно к-рому наше положение во В. не является центральным, выделенным. Этот т. н. принцип Коперника, или космологич. принцип, позволил сделать громадный скачок в познании В. от системы Птолемея до модели Фридмана. Однако его не следует абсолютизировать. Уже в данном выше определении В., выделяющем её среди всего материального мира, существ. роль играет субъект наблюдения - человечество. Утверждение, что при интерпретации всех наблюдений необходимо, в принципе, учитывать факт существования наблюдателя как одно из внешних условий, составляет содержание антропологич. принципа. Различают слабый и сильный варианты антропологич. принципа в космологии. Суть первого из них заключается в том, что наше положение во В. (как во времени, так и в пространстве) всё же является привилегированным в том смысле, что оно должно быть совместимым с нашим существованием в качестве наблюдателей. Слабый антропологич. принцип позволяет делать конкретные и проверяемые предсказания. Напр., совр. возраст В. t₀ можно приближённо предсказать до измерения постоянной Хаббла, если учесть, что существование жизни на Земле связано с притоком энергии от Солнца, и принять, что время жизни типичной звезды на главной последовательности (Солнца) t₁~t₀ (время t₁ выражается через фундам. физ. постоянные и оказывается ~10¹⁸ с, т. е. 10¹⁰ лет). Согласно сильному антропологич. принципу, сама В., законы физики, к-рыми она управляется, и её фундам. параметры должны быть такими, чтобы в ней на нек-ром этапе эволюции допускалось существование наблюдателей (человечества).

Лит.: Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Строение и эволюция Вселенной, M., 1975; Вейнберг С., Гравитация и космология, пер. с англ., M., 1975; Космология. Теории и наблюдения, под ред. Я. Б. Зельдовича, И. Д. Новикова, пер. с англ., M., 1978; Новиков И. Д., Эволюция Вселенной, M., 1979; Крупномасштабная структура Вселенной, под ред. M. Лонгейра, Я. Эйнасто, пер. с англ., M., 1981.

А, А. Старобинский.

   <<      Предметный указатель      >>