Модель расширяющейся Вселенной

Итак, вернемся к Эйнштейну, из расчетов которого следо­вало, что наш мир является четырехмерной сферой. Объем та­кой Вселенной может быть выражен хотя и очень большим, но все же конечным числом кубометров. В принципе возможно облететь всю замкнутую Вселенную, двигаясь все время в од­ном и том же направлении. Такое воображаемое путешествие подобно земным кругосветным путешествиям. Но конечная по объему Вселенная в то же время безгранична, как не имеет границ поверхность любой сферы. Вселенная по Эйнштейну, содержит хотя и большое, но все-таки конечное число звезд и звездных систем, а поэтому к ней фотометрический и гравита­ционный парадоксы просто неприменимы. В то же время при­зрак тепловой смерти тяготеет и над Вселенной Эйнштейна -такая Вселенная, конечная в пространстве, неизбежно идет к своему концу во времени. Вечность ей не присуща.

Пять лет спустя, в 1922 г., советский физик Александр Фридман на основании строгих расчетов показал, что Вселен­ная Эйнштейна никак не может быть стационарной, неизмен­ной, как это считал Эйнштейн. Вселенная непременно должна расширяться, причем речь идет о расширении самого про­странства, то есть об увеличении всех расстояний мира. Все­ленная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пу­зырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерыв­но увеличиваются.

Идея Фридмана поначалу показалась Эйнштейну слишком смелой и необоснованной. Он даже заподозрил ошибку в вы­числениях. Но, ознакомившись с ними, он публично признал, что мы живем в расширяющейся Вселенной.

Из расчетов Фридмана вытекали три возможных следствия: Вселенная и ее пространство расширяются с течением времени; Вселенная сжимается; во Вселенной чередуются через большие промежутки времени циклы сжатия и расширения. Доказательства в пользу модели расширяющейся Вселен­ной были получены в 1926 г., когда американский астроном Э. Хаббл открыл при исследовании спектров далеких галактик (существование которых было доказано в 1923 г. тем же Хабб-лом) красное смещение спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра), что было истолковано как следст­вие эффекта Допплера (изменение частоты колебаний или дли­ны волн из-за движения источника излучения и наблюдателя по отношению друг к другу) - удаление этих галактик друг от друга со скоростью, которая возрастает с расстоянием. По по­следним измерениям, это увеличение скорости расширения со­ставляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек. После этого открытия вывод Фридмана о нестационарности Вселен­ной получил подтверждение и в космологии утвердилась мо­дель расширяющейся Вселенной.

Наблюдаемое нами разбегание галактик есть следствие расширения всего пространства замкнутой конечной Вселен­ной. При таком расширении пространства все расстояния во Вселенной увеличиваются подобно тому, как растут расстоя­ния между пылинками на поверхности раздувающего­ся мыльного пузыря. Каждую из таких пылинок, как и каж­дую из галактик, можно с полным правом считать центром расширения.

Дальнейшее развитие модель расширяющейся Вселенной получила в послевоенные годы и особенно в последние десяти­летия благодаря исследованиям известных отечественных кос­мологов Зельдовича и Новикова. Уточнены величины, харак­теризующие скорость расширения Вселенной, рассмотрены различные варианты моделей Вселенной в зависимости от средней плотности вещества в мировом пространстве, доста­точно подробно намечен ход эволюции Вселенной от момента начала ее расширения.

Какое же будущее ждет нашу Вселенную? Мы уже упоми­нали, что расчеты Фридмана допускали три варианта развития событий. По какому из них идет эволюция Вселенной, зависит от отношения гравитационной энергии к кинетической энер­гии разлетающегося вещества. Это отношение можно свести к отношению плотности вещества во Вселенной к критической плотности вещества, которую мы уже упоминали. Если кинетическая энергия разлета вещества преобладает над гравитационной энергией, препятствующей разлету, то силы тяготения не остановят разбегания галактик и расшире­ние Вселенной носит необратимый характер. Это выражается условием р/р_к < 1, (где р - плотность вещества во Вселен­ной, р _к - критическая плотность вещества). Этот вариант динамичной модели Вселенной называют «открытой Вселен­ной». Если же преобладает гравитационное взаимодействие, чему соответствует условие р/р_к >-1, то темп расширения со временем замедлится до полной остановки, после чего начнет­ся сжатие вещества вплоть до возврата Вселенной в исходное состояние сингулярности (точечный объем с бесконечно боль­шой плотностью). Для наблюдателя сигналом перехода от расширения к сжатию станет смена красного смещения линий химических элементов в спектрах удаленных галактик на фио­летовое смещение. Такой вариант модели назван «закрытой Вселенной». В случае, когда силы гравитации точно равны ки­нетическим силам, то есть когда р/р_к = 1, расширение не пре-кратится, но его скорость со временем будет стремиться к ну­лю. Через несколько десятков миллиардов лет после начала расширения Вселенной наступит состояние, которое можно назвать квазистационарным. Теоретически возможна и пуль­сация Вселенной.

Возникает естественный вопрос: какой из трех вариантов реализуется в нашей Вселенной? Ответ на него остается за наблюдательной астрономией, которая должна оценить со­временную среднюю плотность вещества во Вселенной и уточнить значение постоянной Хаббла (скорость расширения галактик). Пока надежные оценки этих величин отсутствуют. На основании современных данных создается впечатление, что средняя плотность вещества во Вселенной близка к кри­тическому значению, она либо немного больше, либо немно­го меньше. Но от этого «немного» зависит будущее Вселен­ной, правда, весьма отдаленное. Постоянная Хаббла поз­воляет оценить время, в течение которого продолжается про­цесс расширения Вселенной. Получается, что оно не мень­ше 10 млрд. и не более 19 млрд. лет. Наиболее вероятным вре­менем существования расширяющейся Вселенной считают 15 млрд. лет.