12.3. Космологические модели Вселенной

Если бы вся Вселенная обратилась в одно государство, то как не установить повсюду одинаковых законов.

Козьма Прутков

Таким образом, сейчас Метагалактика расширяется, а что будет с ней в будущем? Теория А. А. Фридмана допускает здесь различные возможности в зависимости от средней плотности материи во Вселенной. При этом в зависимости от значения средней плотности вещества во Вселенной расширение может происходить неограниченно во времени или же со временем расширение сменится сжатием. Эта зависимость определяется значением критической плотности, рассчитанной из теории Фридмана и равной

Если р > р , то расширение Вселенной со временем сменится сжатием. При этом геометрические свойства пространства определяются сферической геометрией Римана. Эта модель получила название закрытой (замкнутой) модели Вселенной.

Если р = р , то геометрия Вселенной евклидова и расширение будет происходить неограниченно; такая модель получила название стационарной модели Вселенной.

Если р < р , то геометрия Вселенной аналогична геометрии на поверхности Лобачевского, расширение не ограничено во времени. Модели Вселенной с р < р_кр получили название открытой модели Вселенной.

Внегалактическая астрономия дает среднее значение для

постоянной Хаббла, равной; следовательно, р_кр =

= 510^-30 г/см³.

297

Подсчеты галактик показывают, что в Метагалактике их около 10¹¹. Если принять, что масса каждой из них такая же, как и у нашей Галактики, то при размере Метагалактики около 600 Мпк средняя плотность вещества в ней 5 • 10^-31 г/см³. Так как это значение плотности на порядок меньше критического, то модель нашей Вселенной описывается геометрией пространства отрицательной кривизны, и наблюдаемое ее расширение будет носить неограниченный характер.

При оценке средней плотности вещества в нашей Вселенной учитывалась только наблюдаемая (излучающая) масса вещества. В настоящее время обсуждается вопрос о существовании невидимой массы, или скрытой массы вещества, которую трудно обнаружить по ее излучению. Эта масса, возможно, сосредоточена в форме маломассивных звезд малой светимости, в черных дырах или в форме нейтрино. Учет этой невидимой массы может увеличить значение средней плотности вещества во Вселенной.

Но является ли теория расширяющейся Вселенной окончательным словом науки, исключающим любые другие космологические модели? "Моделям однородной Вселенной, — пишут ученые В. А. Амбарцумян и В. В. Казютинский, — противостоит реальная Вселенная, фундаментальным свойством которой является неоднородность распределения вещества. Пренебрегать этим фактом нельзя. Отсюда следует, что модели Вселенной, построенные на столь грубом упрощении, как предположение об однородном распределении вещества, едва ли стоит фетишизировать".

Ни одна частная наука, например астрономия, не знает достоверно, каков мир в целом. Только основываясь на достижениях всех наук, можно по этому вопросу высказывать лишь более или менее правдоподобные предположения. Понятия неисчерпаемости и бесконечности материи меняются с развитием науки. В настоящее время многие ученые склоняются в пользу идеи о множественности миров с разными фундаментальными постоянными и типами пространств и времен.

298

выводы

1. Космологическими проблемами вынуждали заниматься возникшие парадоксы — фотометрический, гравитационный и термодинамический, которые были разрешены в модели расширяющейся Вселенной. Расширение Вселенной было установлено Э. Хабблом, сравнивая скорости разбегания, измеренные по красному смещению в спектрах галактик расстояния до них.

2. Эйнштейн при работе над общей теорией относительности не знал о красном смещении в спектрах и расширении Метагалактики, поэтому исходил из идеи о стационарной Вселенной. Уравнения, полученные Эйнштейном, были детально исследованы де Ситтером и Фридманом. Последний нашел три модели развития Вселенной, определяемые средней плотностью вещества в ней.

3. Леметр связал эти модели с данными астрономических наблюдений и пришел к проблеме "начала" из точки, а также первоначальных условий, в которой находилась Вселенная. Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и давления в сингулярности, в которой была сосредоточена материя. Их называют Большим взрывом. Такое допущение вполне согласуется с установлением расширения Вселенной, которое могло начаться с некоторого момента, когда она находилась в очень горячем состоянии и постепенно охлаждалась по мере расширения.

4. Гамов разработал модель горячей Вселенной, которую назвал космологией Большого взрыва. Теория получила подтверждение после открытия фонового излучения, которое осталось со времени Большого взрыва и названо реликтовым. Так была повержена теория стационарной Вселенной, разрабатываемая Ф. Хойлом.

5. По мере расширения и охлаждения во Вселенной происходили процессы разрушения существовавших раньше симметрий и возникновения на этой основе новых структур.

6. Гут и Линде разработали разные варианты первых долей секунды после "начала", называемые моделями инфляционной, или раздувающейся, Вселенной.

299

7. Дальнейшее развитие Вселенной разделяют на четыре эры: адронную, лептонную, излучения и вещества. В адронную и лептонную эру, продолжавшуюся 10 с, температура Вселенной после взрыва упала до б млрд градусов и образовался основной химический состав вещества Вселенной, состоящий из 75% водорода и 25% гелия. На стадии излучения происходило непрерывное превращение вещества в излучение и, наоборот, излучения в вещество. Вследствие этого между веществом и излучением сохранялась симметрия.

Вопросы для контроля знаний

1. На какую физическую теорию опирается современная космология?

2. Какие этапы в своем развитии прошла эта космология?

3. Что собой представляет стандартная модель Вселенной?

4. Когда по стандартной модели произошел Большой взрыв?

5. Как реликтовое излучение подтверждает стандартную модель?

6. Как связана эволюция Вселенной с разрешением прежних симметрии между физическими взаимодействиями?

7. Расскажите о значении открытий в космологии для формирования научного мировоззрения.

8. Сформулируйте закон Хаббла.

9. Какими наблюдениями подтверждается расширение Вселенной?

10. Охарактеризуйте кратко эволюцию Вселенной.

10. Почему в результате первичного нуклеосинтеза не могли образоваться химические элементы, наблюдаемые в современной Вселенной?

10. Как можно доказать, что все произошло из ничего?

10. На какие экспериментальные данные опирается современная космология?

11. Расскажите вкратце об эволюции Вселенной до возникновения макротел.

12. Чем отличается космология, космогония, астрономия, астрофизика, космонавтика?

13. Как влияют фундаментальные взаимодействия на разные уровнях организации материи?

10. Какова природа реликтового излучения?

300