6.1. Современные космологические модели Вселенной

Классическая наука разработала модель стационарной Вселенной, согласно которой она всегда была сама себе тождественной так, что можно было однозначно описывать состояние ее объектов. Вопросы эволюции Вселенной классической механикой и астрономией не разрабатывались. В ХХ в., опираясь на достижения новой физики и космологии, особенно на результаты общей и специальной теории относительности Эйнштейна, разрабатываются модели с учетом идей нестационарности, вероятностной причинности и развития как отдельных космических объектов, их систем, так и Вселенной в целом. Современные научные модели Вселенной основываются на выводах общей теории относительности. Прежде всего, из нее следовало, что пространство и время изменяют свои свойства в зависимости от величины и распределения гравитационных масс во Вселенной, от скорости движения и энергии взаимодействия. Пространство может изменять свою метрику: «сжиматься», иметь нулевую, положительную или отрицательную кривизну, а время замедляться т.п. Эти особенности зависят, прежде всего, от распределения вещества во Вселенной, его плотности на г/см³. Основное уравнение тяготения, выведенное Эйнштейном, имеет несколько решений, что создает возможности для построения нескольких космологических моделей Вселенной. Первую из них пытался реализовать сам Эйнштейн. Однако, ряд идей классической механики ему преодолеть не удалось, хотя он и отбросил представление Ньютона об абсолютности свойств пространства и времени и абсолютной бесконечности их. В модели Эйнштейна свойства пространства и времени относительно, пространство однородно и изотропно (от греч. Isos – одинаковый, tropos – поворот), время континуально (от лат. continuum – непрерывно) с пространством, материя распределена равномерно, а гравитационное притяжение компенсируется космологическим отталкиванием. В итоге была построена модель, тяготеющая по основным параметрам к стационарным представлениям, сферического типа, с радиусом константа .

Время в такой модели бесконечно, а пространство хотя и безгранично, но конечно. Модель содержала «неясности и подергалась интенсивной доработке». В.де Ситтер предложил уравнение, по которому Вселенная остается стационарной пока в ней нет материи, но с появлением материи, и, следовательно, массы, она становится нестационарной и в ней начинаются процессы отталкивания и расширения. Позже А.Фридман допустил, что радиус Вселенной величина непостоянная, и, следовательно, плотность вещества во Вселенной также изменяется. Уравнение при таких условиях дают три решения. Если плотность ровна некоторой величине - критической или меньше ее – Вселенная способна к неограниченному расширению из исходной точки. Если же плотность выше критической – расширение, достигнув предела, сменяется сжатием и тогда становится возможной модель «пульсирующей» Вселенной .

Вопрос о действительной величине плотности вещества во Вселенной остается открытым, так как существуют ненаблюдаемые массы как в принципе, так и из-за технической ограниченности средств наблюдения. Однако, тот факт, что расширение в современном состоянии Вселенной есть, подтверждается как некоторыми факторами, так и теоретическими расчетами. Постоянная Э.Хабла гласит, что скорость удаления наблюдаемых космических объектов прямо пропорциональна расстоянию. Чем дальше от нас Галактика, тем больше скорость ее удаления, т.е. Вселенная расширяется.

Несмотря на то, что возможны различные модели Вселенной, все они позволяют утверждать, что возраст ее близок к 15 млрд. лет, а самый далекий объект (горизонт наблюдения) обнаружен на расстоянии около 5 тыс. мегапарсек (1 парсек=3,8*10¹⁶ м.), что в сингулярном (от лат. Singularis – особый) сверхплотном состоянии плотность вещества была равна 10⁹¹ г/см³ , а радиус Вселенной при такой плотности был близок к радиусу электрона и составлял 10^-12 см., т.е. в таком состоянии Вселенная представляла собой микрообъект, если допустить, что известные нам понятия пространства и времени применимы к этой реальности. Однако, существует много доводов в пользу того, что в сингулярном состоянии нет еще различий между веществом и излучением, массой и энергией, пространством и временем и т.д.

Современная космология предполагает, что из сверхплотного состояния Вселенная перешла к большому взрыву, к гигантскому расширению. При «возрасте» Вселенной 10^-4 сек., температура ее достигала 10¹² Кельвина, а размер был равен Солнечной системе. В таких условиях возможны некоторые элементарные частицы (нейтроны, электроны, позитроны и т.п.). Однако, ядро и атомы возникают позже, когда температура снизилась до 4000 градусов, а спустя сотни тысяч лет возникли атомы водорода и гелия. Образовавшаяся из них плазма состояла на 90% из ядер водорода и на 10% гелия. Позже в недрах звезд образуется литий углерод, а затем все остальные химические элементы. Под воздействием гравитации плазма образует сгустки, которые эволюционируя, через звездную форму, приводит к возникновению галактик и их скоплений. Эти процессы продолжаются и до настоящего времени, порождая все новые виды объективной реальности вплоть до живого вещества. Конечно, в понимании причин происхождения и эволюции Вселенной многое еще не познано и неизвестно. Однако, идеи большого взрыва, расширения и эволюции Вселенной в космологии ХХ в. являются основополагающими при построении космологических моделей Вселенной.