Современные космологические модели Вселенной

В классической науке существовала теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучалось движение планет и комет, описывались звезды, создавалась их классификация, что было, конечно очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился. Согласно классической космологии Ньютона, пространство и время однородны и изотропны, абсолютны и бесконечны. Вселенная стационарна, изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.

Однако признание бесконечности Вселенной приводило к двум парадоксам: гравитационным и фотометрическим. Суть гравитационного парадокса заключается в том, что если Вселенная бесконечна и в ней существует бесконечное количество небесных тел, то сила тяготения будет бесконечно большая, и Вселенная должна сколлапсировать, а не существовать вечно. Фотометрический парадокс: если существует бесконечное количество звезд, и они распределены в пространстве равномерно, то должна быть бесконечная светимость неба. На этом фоне даже Солнце, казалось бы, черным пятном, но этого нет.

Эти космологические парадоксы оставались неразрешимыми до двадцатых годов ХХ века, когда на смену классической космологии пришла релятивистская. До этого времени наука не располагала теоретически осмысленными астрономическими данными, свидетельствующими о крупномасштабной эволюции вещества. После открытия явления естественной радиоактивности стала неизбежной мысль о нестабильности космической материи вообще, изменчивости химического состава Вселенной в особенности.

Первая релятивистская космологическая модель Вселенной была разработана А. Эйнштейном в 1917 году. Она основывалась на уравнении тяготения, введенного Эйнштейном в общей теории относительности. В соответствии с представлениями классической астрономии о стационарности Вселенной, он исходил из предположения о неизменности свойств Вселенной, как целого во времени (радиус кривизны пространства он считал постоянным). Эйнштейн даже видоизменил общую теорию относительности, чтобы она удовлетворяла этому требованию, и ввел дополнительную космическую силу отталкивания, которая должна уравновесить взаимное притяжение звезд. Модель Эйнштейна носила стационарный характер, поскольку метрика пространства рассматривалась как независимая от времени. Время существования Вселенной бесконечно, т.е. оно не имело ни начала, ни конца, а пространство было безгранично, но конечно.

В 1922 году российский математик и геофизик А.А. Фридман предположил нестационарное решение уравнением тяготения Эйнштейна, где метрика рассматривалась как меняющаяся со временем. Он доказывал, что Вселенная не может быть стационарной, она должна либо расширяться, либо сжиматься. А. Эйнштейн сначала отрицательно отнесся к работам Фридмана, однако вскоре признал ошибочность своей критики.

Модели Вселенной А.А. Фридмана вскоре получили подтверждение в наблюдениях движений далеких галактик – в эффекте «красного смещения», открытом в 1929 году американским астрономом Э. Хабблом. Хаббл обнаружил, что в спектрах далеких галактик спектральные линии смещены к красному концу. Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении света происходит «покраснение», т.е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн. Если обнаруженное Хабблом красное смещение понимать как результат эффекта Доплера, то это означает, что галактики «удаляются» от нас со скоростью, линейно зависящей от расстояния. В настоящее время, уже зарегистрированы скорости удаления, порядка 100000 км/сек для наиболее далеких из наблюдаемых галактик.

Разбегание галактик не следует представлять себе как некое обычное движение в не изменяющемся со временем пространстве. Это не движение объектов в неизмененном пространстве, а эффект, обусловленный новыми свойствами самого пространства – нестабильностью его материи. Итак, ни галактики расходятся в остающемся постоянном пространстве, а само пространство расширяется (меняется его метрика) с течением времени. Для большей ясности можно привести двухмерную модель, наглядно иллюстрирующую фридмановское расширение. Возьмем резиновую сферу и будем ее надувать. Тогда все точки на поверхности будут удаляться друг от друга, причем из любой точки все остальные будут выглядеть разбегающимися. Таким образом, то обстоятельство, что от данной точки все остальные удаляются, отнюдь, не свидетельствует о каком-то центральном, привилегированном положении этой точки.

Подавляющее большинство современных космологических теорий представляет собой модели эволюционирующей Вселенной. Наиболее обоснованной среди них, считается опирающаяся на идеи Фридмана модель горячего Большого взрыва, которую еще называют стандартной, по причине ее практически всеобщего признания в научной среде. Согласно этой гипотезе наша Вселенная (Метагалактика) 15-20 млрд лет назад возникла в результате космического Большого взрыва, которому предшествовало так называемое «сингулярное» (особое) состояние, когда материя видимой Вселенной была «стянута в точку», находясь в сверхплотном состоянии. Теоретические расчеты показывают, что в первоначальном, сингулярном, т.е. сверхплотном, состоянии плотность вещества Вселенной составила 10⁹¹ г/см³, а радиус был 10^-12см, что близко к классическому радиусу электрона. Но представление о сингулярном состоянии как «стянутой в точку» материи с бесконечными значениями физических величин является, конечно, идеализацией, поскольку наука не располагает средствами установить размеры (радиус) видимой Вселенной в ее исходном сверхплотном состоянии.

От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва, заполнившего все пространство. В итоге каждая частица материи устремилась прочь от любой другой. Всего лишь через одну сотую секунды после взрыва Вселенная имела температуру 100000 млн. градусов по Кельвину. При такой температуре (выше температуры центра самой горячей звезды) молекулы, атома и даже ядра атомов существовать не могут. Вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны и нейтроны. Плотность вещества Вселенной спустя 0,01 с после взрыва была огромной – в 4000 млн раз больше, чем у воды. В конце первых трех минут после взрыва температура вещества Вселенной, непрерывно снижаясь, достигла 1 млрд градусов. При этой температуре начали образовываться ядра атомов, в частности, ядра тяжелого водорода и гелия. Однако вещество Вселенной в конце первых трех минут состояло в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино. Только по истечении нескольких сотен тысяч лет начали образовываться атомы, главным образом водорода и гелия, образовавшие водородно-гелиевую плазму.

Существование Вселенной в качестве водородно-гелиевой плазмы подтверждается данными астрономии. В 1965 году было обнаружено так называемое «реликтовое» радиоизлучение Вселенной, представляющее собой излучение горячей плазмы, сохранившееся с того времени, когда звезд и галактик не было.

В рамках модели Фридмана вопросы о конечности и бесконечности пространства и времени в определенном смысле становятся эмпирически верифицируемыми. Нестационарный мир Фридмана, вообще говоря, может иметь положительную кривизну (закрытая модель) и отрицательную кривизну (открытая модель), он может иметь одну особую временную точку- начало времени (расширяющаяся Вселенная). Но он может иметь и бесконечно много особых точек. В этом случае ни одна из них не может считаться за начало времени, а их наличие просто означает, что во Вселенной периоды расширения сменяются периодами сжатия, когда галактики «сжимаются» (красное смещение сменяется фиолетовым), плотность вновь принимает бесконечное значение, а затем вновь начинает расширяться (пульсирующая Вселенная).

Выбор между перечисленными возможностями зависит от величины средней плотности вещества и полей во Вселенной. Будущее нашего мира зависит от соотношения между скоростью разбиения галактик и силы, с которой они друг друга притягивают. Сила притяжения определяется средней плотностью вещества во Вселенной, а она известна приблизительно. В релятивистской космологии принято, что существует критическая величина средней плотности, равная приблизительно 10^-29 г/см³, т.е. 10 атомов водорода в одном м³. Если реальная средняя плотность материи меньше критической, пространство видимой Вселенной обладает отрицательной кривизной, а расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно. Согласно этой модели во Вселенной через 10³³ и более лет вещество превратится в разряженный газ электронов, позитронов, фотонов, а интервале 10⁶⁰ до 10¹⁰⁰ лет испаряться и так называемые «черные дыры». Если средняя плотность материи оказывается больше критической, расширение Вселенной в будущем сменится сжатием, коллапсом, в результате которого возникнет новое сингулярное состояние. Итак, единственная альтернатива человечеству во Вселенной - «либо быть сожженным в закрытой Вселенной, либо быть замороженным - в открытой».

Стандартная модель расширяющейся Вселенной имеет ряд теоретических проблем и трудностей, которые побуждают космологов к поиску новых концепций. Одна из новейших концепций, получила название теории раздувающейся Вселенной, чтобы подчеркнуть огромную скорость её расширения, несравненно более высокую по отношению к скорости расширения, характерной для стандартной модели. Создателем данной теории (называемой иначе инфляционной моделью) является американский космолог А.Г. Гус.Первый вариант этой теории был представлен им в 1981 году. Теория Гуса была создана на основе приложения теории «Великого объединения» (т.е. теории, описывающей единым образом сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия) к описаниям самых первых мгновений эволюции Вселенной. Эта теория позволяет разрешить некоторые проблемы, возникающие в рамках стандартной модели, но порождает новые. В настоящее время существуют уже три варианта модели раздувающейся Вселенной, различающиеся различными подходами и взглядами на природу исходного состояния, с которой началась эволюция Вселенной. Но все эти гипотезы нельзя считать достаточно обоснованными, поскольку ещё не найден ответ на вопрос о первоначальной причине расширения Вселенной. Однако, два экспериментально установленных положения - расширение Вселенной и реликтовое излучение – являются весьма убедительными доводами в пользу теории Большого взрыва, ставшей теперь общепризнанной.