Вселенная Эйнштейна

Древняя восточная мудрость гласит: "Чтобы познать истину, нужно выйти за ее пределы". Первый выход за пределы, определяемые ньютоновской моделью Вселенной, был связан с отказом от евклидовой геометрии и признанием весьма необычных свойств пространства. Математика вводит нас в некий абстрактный мир, мир формул и геометрических построений, мир особых математических объектов. Связь между математическими и реальными объектами не всегда очевидна. Геометрия Евклида понятна, поскольку отражает те свойства пространства, с которыми мы сталкиваемся повседневно. У тел есть длина, ширина, высота. Особое место в геометрии Евклида занимает "постулат о параллельных" (пятый постулат), с помощью которого доказывается, например, что сумма углов плоского треугольника равна 180°. К выводу, что можно обойтись без пятого постулата, независимо друг от друга пришли Гаусс (1777-1855), Больяи (1802-1860) и Лобачевский (1792-1856). В рамках новой геометрии в треугольнике сумма углов может быть и больше и меньше 180°. Так появилось понятие неевклидовой геометрии, которая может служить для описания пространства. В наиболее законченном виде вариант неевклидовой геометрии построил немецкий математик Риман (1826-1866).

Именно взгляды на геометрические свойства пространства отличают в первую очередь модель Вселенной Эйнштейна. Если пространство Ньютона – это вместилище материи, то по Эйнштейну с исчезновением материи исчезают пространство и время. В общей теории относительности гравитация проявляется в римановом пространстве. Тяготеющие массы искривляют вокруг себя пространство-время, то есть материя изменяет свойства пространства. Эйнштейн исходил из представления о стационарной Вселенной, что, однако, противоречит сегодняшним представлениям. Вселенная Эйнштейна заполнена галактиками, расстояние между которыми постоянно. Вселенная Эйнштейна бесконечна во времени (вечна), но конечна в пространстве в том смысле, что содержит большое, но ограниченное число звезд и звездных систем. В связи с пространственной конечностью Вселенной фотометрический парадокс к ней не применим. Гравитационный парадокс устранялся Эйнштейном введением "космического отталкивания", проявляющегося лишь на огромных расстояниях. В стационарной модели Вселенной Эйнштейна ускорение, создаваемое притяжением, должно уравновешиваться ускорением, создаваемым отталкиванием. Такая модель неустойчива, то есть теряет стабильность при малейшем возмущении. Кроме того, парадокс "тепловой смерти" не устранялся и моделью Эйнштейна.

Концепция расширяющейся Вселенной

Анализируя уравнения общей теории относительности, А. А. Фридман (1888-1925) пришел к выводу, что сами по себе эти уравнения не дают однозначного ответа на вопрос о конечности или бесконечности Вселенной. Фридман отказался и от постулата Эйнштейна о стационарности, показав, что уравнения общей теории относительности допускают нестационарность. Модель Вселенной Фридмана нестационарна, имеет изменяющийся радиус кривизны. Модель Эйнштейна, как показал Фридман, представляет лишь частный случай решения уравнений общей теории относительности. Фридман выделил три возможных модели, соответствующие нестационарной Вселенной. Первая модель предполагает расширяющееся евклидово пространство. Вторая модель представляет пульсирующее неевклидово пространство. В этой модели радиус кривизны пространства за некоторое время увеличивается от нуля до определенной величины, а затем вновь уменьшается до нуля. Третья модель предполагает монотонно расширяющееся неевклидово пространство. Результаты, полученные Фридманом, были опубликованы в Германии и сначала вызвали критику со стороны Эйнштейна, но затем автор теории относительности признал их правоту. Выбор модели нестационарной развивающейся Вселенной зависит от средней плотности вещества во Вселенной, установить которую достаточно надежно пока не удается.

Модель расширяющейся Вселенной получила экспериментальное подтверждение. В 1923 г. астроном и астрофизик Э. Хаббл (1889-1953) с помощью телескопа-рефлектора открыл в спиральной туманности М31 созвездия Андромеды несколько цефеид – звезд с определенным периодом изменения блеска. Для цефеид существует зависимость "период-блеск", а по блеску и звездной величине можно определить расстояние. Оказалось, что туманность М31 находится вне нашей Галактики, сама является галактикой, сравнимой с нашей. Вскоре были открыты и другие галактики. Определив спектры излучения, Хаббл обнаружил, что расстояния между галактиками увеличиваются, то есть они "разбегаются". Скорость "разбегания" Хаббл измерял по "красному смещению" в спектрах излучения. Измеряя расстояние до галактик фотометрическим методом и по цефеидам, Хаббл установил, что скорость разбегания V зависит от расстояния г до галактики и увеличивается пропорционально ему, то есть V=Hr. Это выражение называют законом Хаббла, а коэффициент пропорциональности Н – постоянной Хаббла.

Расширение Вселенной означает, что исходным состоянием является "точечный" объем, что существовало само начало расширения (момент "сотворения мира") и что прошло какое-то время с момента "сотворения мира", то есть у Вселенной должен быть возраст. Ответ на вопрос о том, когда произошел акт "творения", давал закон Хаббла: величина 1/Н характеризует время в секундах, за которое галактики, расположенные на расстоянии в 1 Мпс, разбегутся на 1 км. Зная расстояние до "окраин" Вселенной, можно вычислить ее возраст. Хаббл получил значение Н=500 км/с∙Мпс, и отсюда следовало, что возраст Вселенной всего около 2 млрд. лет, то есть меньше возраста Земли. В настоящее время постоянная Хаббла уточнена. Это позволяет утверждать, что возраст Вселенной колеблется от 10 до 20 млрд. лет. При среднем значении Н=75 км/с∙Мпс возраст Вселенной, полученный из закона Хаббла, составляет 13 млрд. лет.

Итак, в ушедшем XX веке конкурировали две гипотезы: гипотеза стационарной Вселенной и гипотеза расширяющейся Вселенной. Гипотеза расширяющейся Вселенной несмотря на экспериментальное обнаружение "разбегания" галактик долго не могла взять верх. В 1948 г. английские ученые во главе с Ф. Хойлом выдвинули идею о том, что вместо ушедших из объема Вселенной галактик возникают новые, средняя плотность материи, таким образом, сохраняется неизменной, и Вселенная остается стационарной. Решающим фактором, утвердившим гипотезу расширяющейся Вселенной, стало обнаружение и интерпретация реликтового космического излучения. Существование такого излучения предсказывала теория эволюции Вселенной, разработанная Г. А. Гамовым (1904-1968) и получившая название "Космология Большого Взрыва".