Строение и эволюция Вселенной

Как устроена наша Вселенная? Этот вопрос интересовал и волновал людей на протяжении многих веков. В 20 веке был до­стигнут крупный прогресс в понимании мира, в котором мы жи­вем. Это касается как области микромира — элементарных и субэлементарных частиц, так и мегамира, включающего звезды, галактики, скопления галактик и нашу Метагалактику. При этом под Метагалактикой мы понимаем ту часть пространства, кото­рая доступна для нашего наблюдения.

Наблюдения показывают, что мы живем в эволюциониру­ющей и притом расширяющейся Вселенной (Метагалактике). Красное смещение спектральных линий света, приходящего к нам от далеких галактик, есть следствие эффекта Допплера. Это свя­зано с тем, что галактики удаляются от нас. Впервые эффект разбегания галактик был обнаружен экспериментально амери­канским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 году. Согласно закону Хаббла

Здесь u — скорость движения галактики, r — расстояние до нее. Величина Нназывается постоянной Хаббла. Не касаясь экспе­риментальных трудностей определения Н,укажем лишь, что ее значение с достаточно большой (~ 50%) погрешностью принима­ется равным^*)

В соответствии с формулой (1), чем дальше от нас галактика, тем с большей скоростью она удаляется. Однако еще до откры­тия Хаббла модель нестационарной Вселенной была предсказана теоретически. Молодому петроградскому математику и метео­рологу Александру Александровичу Фридману удалось решить уравнения общей теории относительности Эйнштейна.

Фридман показал, что эта теория приводит к неожиданному результату: Вселенная должна быть нестационарной. Работы Фридмана были опубликованы в 1922-1924 гг. на русском и не­мецком языках. В его работах были построены три возможные модели Вселенной. В двух из них радиус кривизны пространства монотонно растет и Вселенная расширяется (в одной модели — из точки, в другой — начиная с некоторого конечного объема). Третья модель представляла картину пульсирующей Вселенной с периодически меняющимся радиусом кривизны.

Достижения Фридмана-Хаббла оказались поворотным пунк­том в наших представлениях о Метагалактике. Они показали — Вселенная изменяется!

В основу модели Вселенной, предложенной Фридманом, по­ложены два постулата. Их иногда называют основными космо­логическим постулатами:

1) Вселенная изотропна в трехмерном пространстве,

2) Вселенная однородна в трехмерном пространстве.

Покажем, что если в начальный момент времени Вселенная была однородной, то эта однородность сохраняется всегда. Рас­смотрим закон изменения плотности. Возьмем шар, содержащий распределенную массу М; радиус его обозначим R = R(t). Плот­ность вещества р = M/( R³), отсюда

Подставим в эту формулу закон Хаббла dr/dt = и= HR,тогда получим

Следовательно, если в какой-то момент времени р не зависела от координат, то при законе расширения (1) и во все последующие моменты времени р также не зависит от координат, хотя и меня­ется с течением времени р = p(t). При этом очевидно, что dp/dt тоже не зависит от координат.

Тот же результат можно получить и для свойств распреде­ления скорости. Скорость и оказывается изотропной и равной u= Hr, хотя величина Я может зависеть от времени.