Модели устройства Вселенной, созданные на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения

Современная (релятивистская) космология имеет в своем распоряжении модели Вселенной основанные на основных положениях общей теории относительности А. Эйнштейна (1905–1916). Эйнштейн исходил из представления о стационарной Вселенной, равномерно заполняемой галактиками, находящимися на неизменных расстояниях.

По мнению Эйнштейна, во всей наблюдаемой части Вселенной материя равномерно “размазана” в пространстве, и в любой его точке действуют одни и те же законы. При некоторой средней плотности космического вещества выделенная органическая часть Вселенной не только искривляет пространство, но даже замыкает его “на себя”. Вселенная замкнута, она, как обычная сфера, имеет конечный объем, заключающий в себе конечную массу вещества. Гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Если притяжение обусловлено звездами и галактиками, то космическое отталкивание Эйнштейн связывал с гравитационным воздействием вакуума. Такая модель казалась в то время вполне приемлемой, так как она согласовывалась со всеми известными фактами.

В 1918 г. астроном Вилием де Ситтерпредложил другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение было основано на представлениях о “пустой” Вселенной, свободной от материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы,то она переставала быть стационарной: возникало некоторого рода космическое отталкиваниемежду массами, стремящееся удалить их друг от друга и изменить всю систему. Фактически в решении де Ситтера содержалось предсказание расширения Вселенной. Тенденция красширению, по Вилиему де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.

В 1922 г. русский математик и геофизик А. А. Фридманполучил решения уравнений Эйнштейна, описывающие Вселенную с “расширяющимся пространством”. Фридман выделил три возможности, соответствующие трем моделям Вселенной:

       если средняя плотность вещества и излучение во Вселенной равны некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния;

       если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и также неограниченно расширяется;

       если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния.

В 1927 г. Ж. Леметрсвязал “расширение” пространства с данными астрономических наблюдений. Он ввел понятие начала Вселенной каксингулярность(то есть сверхплотное, сверхгорячее состояние). Согласно теоретическим подсчетам Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10^–12см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла 10⁹⁶г/см³. В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъем ничтожно малых размеров. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результатеБольшого взрыва.

В 1929 г. американский астроном Э. П. Хабблобнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактики: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, – система галактик расширяется. Хаббл открыл замечательную закономерность: линии в спектрах подавляющего большинства галактик смещены к красному концу, причем смещение тел тем больше, чем дальше от нее находится галактика. Это интересное явление назваликрасным смещением (красное смещение – это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к расположенному концу). Объяснив красное смещениеэффектом Доплера(изменение длины волны света в связи с движением его источника), ученые пришли к выводу о том, что расстояние между нашей и другими галактиками непрерывно увеличивается. Система галактик (метагалактик) расширяется. Красное смещение подтверждает теоретический вывод онестационарной Вселенной.

Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом взрыве, произошедшем примерно 12–18 млрд лет назад. Ученик Фридмана Г. А. Гамовразработал модель горячей Вселенной, рассматривая ядерные реакции, протекающие в самом начале расширения Вселенной, назвал ее “космологией Большого взрыва”. Гамов заинтересовался относительной распространенностью химических элементов во Вселенной и их происхождением. Он предположил, что элементы образовались в самом начале расширения, когда плотность и температура имеют критически высокие значения. По законам термодинамики, при высоких плотностях и температурах в разогретом веществе всегда в равновесии с ним (веществом) находится излучение. После процессовнуклеосинтеза(рождение ядер элементов), занимающих несколько минут, излучение должно остаться, продолжить движение вместе с веществом в расширяющейся Вселенной. Гамов получил простое соотношение между плотностями вещества и излучением по мере расширения. Плотность измерения уменьшается со временем быстрее, чем плотность вещества, но в прошлом их отношение было равно единице, а еще раньше излучение по плотности преобладало надвеществом. По этой причине излучению должна принадлежать ведущая роль в эволюции Вселенной.

В 1964 г. американские ученые А. ПензиасиР. Вильсоннашли экспериментальное доказательство пребывания Вселенной в сверхплотном и горячем состоянии –реликтовое излучение. Открытие реликтового излучения – это весьма убедительные доводы в пользу теории Большого взрыва и возможного сценария происходивших событий: от первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва, заполнившего все пространство. В итоге каждая частица материи устремилась прочь от любой другой. Всего лишь через сотую долю секунды после взрыва Вселенная имела температуру порядка 100 000 млн градусов по Кельвину. При такой температуре молекулы, атомы и даже ядра атомов существовать не могут. Вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтроны, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны и нейтроны. В конце первых трех минут после взрыва температура вещества Вселенной непрерывно снижалась и достигла 1 млрд градусов. При этой, все еще очень высокой, температуре начали образовываться ядра атомов, в частности, ядра тяжелого водорода и гелия. Однако вещество в основном состояло из фотонов, нейтрино и антинейтрино.

После эры нуклеосинтеза Вселенная “тихо” остывает. Ее температура снижается настолько, что электроны начинают соединяться с ядрами и образовывать атомы. Энергии фотонов не хватает для их разрушения, с этого момента излучение отрывается от вещества. Водород и гелий образуются собственно в Большом взрыве. Тяжелые элементы образуются позднее в недрах звезд и рассеиваются в пространстве благодаря звездным взрывам. Для дальнейшего развития наиболее важным представляется то, что в первые мгновения образования нашей Вселенной сформировался весь “набор” фундаментальных образований, который и обусловил ход ее последующей эволюции.