Расширяющаяся вселенная

Расширяющаяся вселенная. Заглянуть глубже в тайны мироздания, чем это сделал Ньютон, долгое время казалось невозможным. Лишь в начале нашего века в 1915 году появилась работа А. Эйнштейна, которая в конце концов заставила пересмотреть систему мира Ньютона, и, заметим, самым радикальным образом. Знаменитые уравнения Эйнштейна - основа общей теории относительности - были опубликованы в 1916 году. Они подарили нам новый мир, существенно отличающийся от мира Ньютона. Как образно сказал один из крупнейших современных физиков, Дж. Уилер, в общей теории относительности пространство говорит материи, как ей двигаться, а материя указывает пространству, как ему искривляться.

Общая Теория Относительности ОТО имеет дело с четырехмерным пространством, где одной из координат является время. Трудность состоит в том, что четырехмерный мир нельзя представить себе наглядно. Для нас число наглядных измерений не превышает трех. Четырехмерный мир Эйнштейна, конечно же, не абстракция.

Дело в том, что мы живем геометрически в трехмерном пространстве, но все физические процессы в этом мире связаны со временем, а сам ход времени для наблюдателя зависит от свойств пространства, от скорости процессов. Поэтому время связано в мире Эйнштейна с геометрией, а геометрия со временем. Недаром Уилер предложил называть теорию Эйнштейна геометродинамикой. Геометродинамика, ОТО предсказывает удивительные явления, которые должны происходить в нашем мире изменение темпа течения времени, искривление лучей света в сильных полях тяготения и многое другое. Итак, пространство не абсолютно, оно динамично, оно живет.

И самым важным свойством уравнений Эйнштейна, по крайней мере для космологии, является то, что они позволяют представить себе, как жила, живет и будет жить в дальнейшем наша Вселенная. Нельзя не подчеркнуть, что Эйнштейн на первых порах намеренно искал такое решение своих уравнений, которое давало бы однородную и статичную Вселенную. То есть сначала и Эйнштейн, так же как и Ньютон, оказался в плену идеи, если так можно выразиться, статичной вечности. Первым человеком, которому удалось на основании уравнений Эйнштейна получить принципиально новые выводы о структуре нашей Вселенной, был советский математик А. Фридман.

Он выполнил интересные работы в области метеорологии и гидромеханики. Но имя свое ученый обессмертил работами по космологии. Первая статья 1922 года, где он нашел новое космологическое решение уравнений ОТО, говорила о том, что наш мир, наша Вселенная нестационарна.

Она замкнута и непрерывно расширяется. Эйнштейн отреагировал на эту статью отрицательно, немедленно опубликовав Замечание, в котором содержалось опровержение выводов Фридмана. Но великий Эйнштейн оказался неправ. Он признал это в 1923 году Я считаю результаты г. Фридмана правильными и проливающими новый свет Сегодня в научной литературе прочно утвердился термин Вселенные Фридмана. Что же это такое? Фридман нашел два решения уравнений Эйнштейна, каждое из которых зависит от средней плотности материи во Вселенной.

Если средняя плотность с меньше некоторой величины скр или равна ей, то Вселенная может быть пространственно как бесконечной, так и конечной, но расширение ее будет продолжаться всегда. Если же значение средней плотности больше критической с скр, неизбежно получается замкнутая но безграничная! Вселенная. Силы гравитации в этом случае должны в конце концов остановить расширение Вселенной, и она рано или поздно начнет сжиматься.

Попробуем пояснить, как совмещаются понятия конечности и безграничности. Наглядный пример здесь достаточно прост. Возьмем поверхность резинового надувного шарика. Она конечна, как бы мы этот шар ни раздували. Но в то же время она и безгранична, так как, путешествуя по этой поверхности, мы никогда не доберемся до границы. В крайнем случае вернемся туда, откуда начали свой путь. Итак, на сцене появились динамические модели Вселенной. И сразу же возникло множество вопросов. Ведь модели Фридмана - его Вселенные - построены пером теоретика да и вообще все, что мы до сих пор обсуждали, было гениальными теоретическими построениями, и только данные наблюдательной астрономии могли подтвердить или опровергнуть эти модели - модели расширяющейся Вселенной.

О чем же они свидетельствовали в то время? Еще в 1914-1917 годах астрономы выяснили поразительный факт, которому, к сожалению, сначала не придали значения большинство далеких галактик разбегаются от нашей Галактики с довольно большими скоростями, причем самые далекие из них с самыми большими скоростями.

На последнее обстоятельство обратил внимание еще в 1919 году американский астроном X. Шепли, но не сумел объяснить его Вселенные Фридмана еще не были созданы И лишь в 1929 году американский астроном Э. Хаббл вывел свой знаменитый закон, гласящий, что скорость разлета галактик, прямо пропорциональна расстоянию от нашей Галактики. V Нг, где V - скорость галактики, г - расстояние, Н - так называемая постоянная Хаббла.

Закон Хаббла - один из краеугольных камней современной космологии. Астрономы наблюдали спектры далеких туманностей и установили, что хорошо известные линии, например, ионизированного кальция или водорода, находятся не на своих местах, сдвинуты далеко в красную сторону спектра. Так был обнаружен факт разлета галактик, и вскоре в науке появился знаменитый термин красное смещение. Закон Хаббла был установлен в 1929 году, и модели расширяющейся Вселенной получили таким образом первое надежное экспериментальное подтверждение.

Нужно сказать о том, что закон Хаббла и красное смещение разрешают и знаменитый парадокс Ольберса. Закон Всемирного тяготения Ньютона легко выводится из ОТО. Но не это самое интересное. В 30-х годах было показано, что из закона Всемирного тяготения можно получить законы расширения и сжатия Вселенной, и ОТО для этого в принципе не нужна! Это поистине поразительный факт, свидетельствующий лишний раз о том, насколько притягательна идея вечной и стационарной Вселенной.

Нам трудно себе представить, что модели расширяющегося мира в принципе могли быть получены задолго до рождения Эйнштейна, к примеру, еще во времена Ньютона. И не построены были эти модели по чисто психологическим причинам. Для самого Ньютона не существовал вопрос о начале мира, для него непреложным фактом было сотворение мира Творцом. Человечество не было еще готово к постановке подобного вопроса на научной основе. Прошло два столетия со дня смерти Ньютона, и уже великий Эйнштейн не хочет говорить с аббатом Леметром о вопросе начала Это слишком похоже на акт творения.

Сразу видно, что Вы священник. А ведь аббат Леметр, будущий президент папской Академии в Ватикане, был одним из тех, кто наряду с Фридманом исследовал решения ОТО. Термин вселенные Леметра прочно вошел в научную литературу. Именно он ввел понятие первичного атома, при взрыве которого и образовался наш мир. Парадокс, а может быть, и нечто большее, чем парадокс, состоял в том, что и Эйнштейн, и многие другие ученые в течение нескольких лет после выхода в свет работ Фридмана а затем и Леметра не рассматривали всерьез космологические решения ОТО, зависящие от времени.

Переворот в сознании и соответствующая переоценка произошли лишь после открытия Хаббла. Закон Хаббла утверждает, что чем дальше от нас находится какая-нибудь галактика, тем с большей скоростью она от нас удаляется. При этом должна возрастать величина красного смещения. В конце концов оно станет настолько большим, что мы не сможем увидеть источник света.

Как говорят в космологии, красное смещение создает горизонт видимости, за который наш взгляд не может проникнуть. К тому же расширение Вселенной происходит достаточно быстро. Ну а поскольку свет от объектов, лежащих за горизонтом, мы не можем воспринять, а внутри горизонта число звезд по астрономическим масштабам невелико 1025, парадокс Ольберса, основанный на введении бесконечного числа источников света и бесконечной Вселенной, разрешается просто в рамках моделей расширяющейся Вселенной.

При анализе закона Хаббла возникает еще один вопрос. Если все наблюдаемые галактики разлетаются от нас, то не находимся ли мы, земные наблюдатели, в центре мира? Казалось бы на первый взгляд, что наше положение привилегированно. Вернемся снова к аналогии с поверхностью резинового надувного шара. Предположим, что это и есть наша Вселенная мы не можем покинуть поверхность или проникнуть внутрь шара. Нанесем на поверхность шара точки и будем считать каждую точку галактикой.

Начнем надувать шар от радиуса R до радиуса 2R модель расширяющейся Вселенной Все точки галактики естественно останутся на поверхности шара, расстояние между ними также увеличится в два раза. Но вот что самое интересное! В какую бы галактику на нашей сфере мы ни поместили наблюдателя А или В , ему будет казаться, что все остальные галактики от него удаляются, и именно он находится в центре мира. Таким образом, наша Вселенная не имеет выделенного центра.

Но давайте пойдем назад - начнем выпускать воздух из нашего шарика и предположим, что он сожмется в точку. Конечно, с реальным воздушным шариком этого не произойдет, но в качестве мысленного эксперимента подобная операция не вызывает трудностей. Тогда мы увидим, что при стремлении радиуса шара к 0 поверхность его также стремится к 0, и, естественно, расстояния между точками его поверхности галактиками беспредельно уменьшаются. Именно здесь мы и подходим к одному из основных вопросов космологии что было вначале? Вопрос вполне правомочный.

Ведь если Вселенная расширяется, то когда-то этот процесс должен был начаться. И здесь физика - наука, претендующая на то, что она может объяснить любое явление в окружающем нас мире обязана была сказать свое слово.