Космологические модели Вселенной

В классической науке господствовала теория стационарной Вселенной: она всегда была почти такой же, как сейчас. Совре­менные космологические модели Вселенной базируются на об­щей теории относительности Эйнштейна, в соответствии с кото­рой метрика пространства и времени определяется распределе­нием гравитационных масс во Вселенной, свойства которой обус­ловлены прежде всего средней плотностью материи.

Современная космология строит модели Вселенной исходя из уравнения тяготения из общей теории относительности А. Эй­нштейна. Оно имеет много решений. Первую модель разработал сам А. Эйнштейн в 1917 г. Эта модель имеет стационарный харак­тер: Вселенная стационарна, бесконечна во времени и безгра­нична в пространстве. В 1922 г. российский математик и геофи­зик А.А. Фридман дал свое решение уравнения общей теории относительности А. Эйнштейна, имеющее три варианта. В слу­чае, когда средняя плотность вещества и излучения равна кри­тической величине, то мировое пространство является евклидо­вым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначаль­ного точечного состояния. Если же средняя плотность меньше критической, то пространство обладает геометрией Н.И. Лоба­чевского и также неограниченно расширяется. И, в-третьих, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказы­вается римановым, расширение Вселенной на определенном этапе сменяется сжатием и продолжается вплоть до точечного, сингулярного состояния.

Как показывают объективные данные, плотность Вселенной меньше критической, т.е. более вероятна модель второго типа с временем Н.И. Лобачевского и бесконечным расширением. Расширение Вселенной считается установленным фактом в результате обнаружения эффекта К. Доплера, красного сме­щения — смещения линий в спектре источника излучения в сторону красной части спектра по сравнению с линиями эталон­ных спектров. Красное смещение возникает, когда расстояние между источником излучения и его приемником увеличивается (эффект К. Доплера).

В 1929 г. Э.П. Хаббл обнаружил, что все галактики движутся от нас со скоростью, возрастающей пропорционально рассто­янию, что также убедительно свидетельствует о расширении Вселенной.

Теория «Большого взрыва».

Э. Хаббл установил, что любая галактика удаляется от нас в среднем со скоростью, пропорциональной расстоянию до неё. Это открытие окончательно разрушило существовавшее со времён Аристотеля представление о статичной, незыблемой Вселенной. Значит, галактики вовсе не являются космическими фонарями, подвешенными на одинаковых расстояниях друг от друга, и, более того, раз они удаляются, то когда-то в прошлом они должны были быть ближе к нам. Около 20 млрд. лет тому назад все галактики, судя по всему, были сосредоточены в одной точке, и которой началось стремительное расширение Вселенной до современных размеров. Указать местоположение этой точки невозможно, т.к. это противоречило бы основному принципу космологии. Согласно общей теории относительности, присутствие вещества в пространстве приводит к его искривлению. При наличии достаточного количества вещества можно построить модель искривлённого пространства. Передвигаясь по земле в одном направлении, мы в конце концов, пройдя 40 000 км, должны вернуться в исходную точку.

Итак, Вселенная напоминает надувной шарик, на котором нарисованы галактики и, как на глобусе, нанесены параллели и меридианы для определения положения точек; но в случае Вселенной для определения положения галактик необходимо использовать не два, а три измерения. Расширение Вселенной напоминает процесс надувания этого шарика: взаимное расположение различных объектов на его поверхности не меняется, на шарике нет выделенных точек. Чтобы оценить полное количество вещества во Вселенной, нужно просто подсчитать все галактики вокруг нас. Поступая таким образом, мы получим вещества меньше, чем необходимо, чтобы, согласно Эйнштейну, замкнуть «воздушный шарик» Вселенной. Существуют модели открытой Вселенной, математическая трактовка которых столь же проста и которые объясняют нехватку вещества. С другой стороны, может оказаться, что во Вселенной имеется не только вещество в виде галактик, но и невидимое вещество в количестве, необходимом, чтобы Вселенная была замкнута; полемика по этому поводу до сих пор не затихает.

Спустя миллиард лет после «большого взрыва» началось образование галактик. К этому моменту вещество уже успело охладиться и стали появляться стабильные флуктуации плотности среди облаков газа, равномерно заполнявших космос. Локальное увеличение плотности вещества оказывается стабильным, если плотность достаточно велика, так как в этом случае создаётся локальное гравитационное поле, способствующее сохранению вещества в сжатом виде. Продолжая сжиматься и теряя при этом энергию на излучение, уплотнившееся вещество в результате своей эволюции превращалось в современные галактики. Хотя в общих чертах ясно, что тогда происходило, но механизм образования галактик всё же понятен не до конца и противоречит аккуратным подсчётам наблюдаемых масс галактик и их скоплений.