3.3 Модель расширяющейся Вселенной

Модель Вселенной Эйнштейна стала первой космологической моделью, базирующейся на выводах общей теории относительно­сти. Это связано с тем, что именно тяготение определяет взаимо­действие масс на больших расстояниях. Поэтому теоретическим ядром современной космологии выступает теория тяготения — об­щая теория относительности. Эйнштейн допускал в своей космоло­гической модели наличие некой гипотетической отталкивающей силы, которая должна была обеспечить стационарность, неизмен­ность Вселенной. Однако последующее развитие естествознания внесло существенные коррективы в это представление.

Пять лет спустя, в 1922 г., советский физик и математик А. Фридман на основе строгих расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна не может быть стационарной, неизменной. При этом Фридман опирался на сформулированный им космологический принцип, который строится на двух предположениях: об изотроп­ности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной пони­мается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Все­ленной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается, как одинаковость всех точек Вселенной: мы можем проводить на­блюдения в любой из них и везде увидим изотропную Вселенную.

Фридман на основе космологического принципа доказал, что уравнения Эйнштейна имеют и другие, нестационарные решения, согласно которым Вселенная может либо расширяться, либо сжи­маться. При этом речь шла о расширении самого пространства, т.е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напо­минала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.

Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила ги­потетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл обнаружил эф­фект «красного смещения» спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие эф­фекта Допплера — изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. «Красное смещение» было объяснено как следствие удале­ния галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстояни­ем. Согласно последним измерениям увеличение скорости расшире­ния составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек.

В результате своих наблюдений Хаббл обосновал представление, что Вселенная — это мир галактик, что наша Галактика — не един­ственная в ней, что существует множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями. Вместе с тем Хаббл пришел к выводу, что межгалактические расстояния не остаются постоян­ными, а увеличиваются. Таким образом, в естествознании появи­лась концепция расширяющейся Вселенной.

Какое же будущее ждет нашу Вселенную? Фридман предложил три модели развития Вселенной.

В первой модели Вселенная расширяется медленно для того, что­бы в силу гравитационного притяжения между различными галак­тиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов пре­кращалось. После этого Вселенная начинала сжиматься. В этой мо­дели пространство искривляется, замыкаясь на себя, образуя сферу.

Во второй модели Вселенная расширялась бесконечно, а про­странство искривлено как поверхность седла и при этом бесконечно.

В третьей модели Фридмана пространство плоское и тоже бес­конечное.

По какому из этих трех вариантов идет эволюция Вселенной, зависит от отношения гравитационной энергии к кинетической энергии разлетающегося вещества.

Если кинетическая энергия разлета вещества преобладает над гравитационной энергией, препятствующей разлету, то силы тяго­тения не остановят разбегания галактик, и расширение Вселенной будет носить необратимый характер. Этот вариант динамичной мо­дели Вселенной называют открытой Вселенной.

Если же преобладает гравитационное взаимодействие, то темп расширения со временем замедлится до полной остановки, после чего начнется сжатие вещества вплоть до возврата Вселенной в ис­ходное состояние сингулярности (точечный объем с бесконечно большой плотностью). Такой вариант модели назван осциллирую­щей, или закрытой. Вселенной.

В граничном случае, когда силы гравитации точно равны энер­гии разлета вещества, расширение не прекратится, но его скорость со временем будет стремиться к нулю. Через несколько десятков миллиардов лет после начала расширения Вселенной наступит со­стояние, которое можно назвать квазистационарным. Теоретически возможна и пульсация Вселенной.

Наблюдаемое нами разбегание галактик есть следствие расши­рения пространства замкнутой конечной Вселенной. При таком расширении пространства все расстояния во Вселенной увеличива­ются подобно тому, как растут расстояния между пылинками на поверхности раздувающегося мыльного пузыря. Каждую из таких пылинок, как и каждую из галактик, можно с полным правом счи­тать центром расширения. Когда Э. Хаббл показал, что далекие га­лактики разбегаются друг от друга со все возрастающей скоростью, был сделан однозначный вывод о том, что наша Вселенная расши­ряется. Но расширяющаяся Вселенная — это изменяющаяся Все­ленная, мир со всей своей историей, имеющий начало и конец. Постоянная Хаббла позволяет оценить время, в течение которого продолжается процесс расширения Вселенной. Получается, что оно не менее 10 млрд. и не более 19 млрд. лет. Наиболее вероятным вре­менем существования расширяющейся Вселенной считают 15 млрд. лет. Таков приблизительный возраст нашей Вселенной.