Глава 11. Макромир

11.1. Особенности астрономии хх века. Новая астрономическая революция. Нестационарная релятивистская космология

С помощью сильных телескопов люди увидели многочисленные светлые пятна туманного вида, так и названные туманностями. Гершель и его сын Джон открыли множество таких туманных пятен, а к концу прошлого столетия было обнаружено, что некоторые из них имеют спиральную форму. Лишь в 20–е годы 20 века с помощью сильных телескопов удалось разложить туманности на звезды. Стало ясно, что – это далекие звездные системы, в которых звезд несравненно больше, чем в близких к солнцу шаровых скоплениях.

В 1912 году американский астроном Слайфер обнаружил эффект красного смещения в спектрах далеких от галактик: их смещенные линии оказались смещенным и к длинноволновому (красному) краю по сравнению с такими же линиями в спектрах источников, неподвижных относительно наблюдателя.

Теоретическим ядром космологии выступает теория тяготения. Релятивистскую космологию первым попытался построить Эйнштейн. В соответствии с методологическими установками о нестационарности Вселенной, он исходил из положения о неизменности свойств Вселенной, как целого времени (радиус кривизны он считал постоянным). Эйнштейн даже видоизменил теорию относительности, чтобы он удовлетворяла данному требованию, и ввел силу отталкивания, которая должна уравновесить взаимное притяжение звезд. Вселенная Эйнштейна пространственно конечна; она имеет конечные размеры, но не имеет границ. В этой модели пространственный объем Вселенной с равномерно распределенными в нем галактиками конечен, но не имеет границ. Оно не распространено бесконечно, во все стороны. А замыкается на само себя. Как и на поверхности сферы в нем можно совершать «кругосветные путешествия»; обитатель такой вселенной мог бы, послав в каком либо направлении какой-либо сигнал, со временем, обнаружить этот сигнал, который бы вернулся к нему с противоположной стороны, обогнув всю вселенную.

С критикой предложенной Эйнштейном космологической модели выступил наш выдающийся отечественный физик-теоретик А.Фридман. Именно Фридман, опубликовавший свою работу в 1922 году, впервые сделал из общей теории относительности космологические выводы, имеющие поистине революционное значение: он заложил основы нестационарной релятивистской космологии. Фридман показал, что теоретическая модель Эйнштейна является частным решением гравитационных уравнений для однородных и изотропных моделей, а в общем случае решения зависят от времени. Кроме того, они могут быть однозначными и не могут дать ответа на вопрос о форме Вселенной, ее конечности или бесконечности. Исходя из противоположного постулата (о возможном изменении радиуса кривизны мирового пространства во времени) Фридман нашел нестационарные решения «мировых уравнений Эйнштейна». Эйнштейн согласился с критикой молодого физика. Фридман показал, что решения уравнений общей теории относительности для Вселенной позволяют построить три возможные модели Вселенной.

В двух из них радиус кривизны пространства монотонно растет, и Вселенная расширяется (в одной модели их точки: в другой – с некоторой части конечного объема).

Третья модель рисовала картину пульсирующей Вселенной с периодически изменяющимся радиусом кривизны.

Выбор модели зависит от средней плотности вещества во Вселенной. Модели Вселенной Фридмана уже вскоре получили удивительно точное подтверждение в непосредственных наблюдениях движения далеких галактик – в эффекте «красного смещения», который свидетельствует о взаимном удалении всех достаточно далеких друг от друга галактик. Таким образом, в настоящее время наблюдается расширение Вселенной. Характер дальнейшей эволюции зависит от средней плотности вещества и его отношения с критической плотностью. Если средняя плотность окажется больше критической, то расширение Вселенной через некоторое время прекратится и сменится сжатием. Если средняя плотность меньше критической, то расширение будет продолжаться бесконечно долго. Иначе говоря, Вселенная будет сколь угодно долго расширяться. Но определение средней плотности вещества во Вселенной пока ненадежно.