«Судьба существа зависит от судьбы Вселенной
Поэтому разумное существо должно
проникнуться историей Вселенной
Необходима такая высшая точка зрения»
К.Э. Циолковский.

Предисловие

Космологические модели приводят к выводу, что судьба расширяющейся Вселенной зависит только от средней плотности заполняющего её вещества и от значения постоянной Хаббла. Если средняя плотность равна или ниже некоторой критической плотности, расширение Вселенной будет продолжаться вечно. Если же плотность окажется выше критической, то расширение рано или поздно остановится и сменится сжатием. В этом случае Вселенная сузится до размеров, которые у неё были предположительно при возникновении, уступив место явлению, названному Больши́м сжатием. Чему же равна эта таинственная критическая плотность мира? Оказалось, что значение её определяется только современным значением постоянной Хаббла и составляет ничтожную величину - около 10^-29 г/см³, или 10¹⁵ атомных единиц массы в каждом кубическом сантиметре. При такой плотности грамм вещества содержится в ку́бе со стороной около 40 тыс. километров! Определить точно постоянную Хаббла непросто. Галактики могут иметь довольно высокие случайные скорости (до 1000-2000 км/с), никак не связанные с космологическим расширением. Чтобы вычислить постоянную Хаббла, приходится измерять красные смещения не близких, а достаточно далёких галактик, расстояния до которых установить очень трудно. По современным оценкам, наиболее вероятное значение постоянной Хаббла лежит в интервале 60-80 км/(с·Мпк). Определить из наблюдений истинную среднюю плотность материи Вселенной, оказывается, ещё сложнее, чем найти постоянную Хаббла и вычислить критическую плотность. Из астрономических наблюдений следует, что средняя плотность всего видимого вещества - звёзд, пы́ли и межзвёздного газа - не превышает 10% от критической плотности. Однако помимо наблюдаемого вещества во Вселенной, безусловно, присутствует и загадочное невидимое, или тёмное вещество, ничем не проявляющее себя, кроме гравитационного поля. Измерить плотность тёмного вещества - задача чрезвычайно сложная. Многие теоретические соображения заставляют думать, что плотность Вселенной с учётом тёмного вещества должна быть равна критической или немного ниже её. Этот важнейший космологический вопрос до сих пор остаётся открытым.

Основные модели Вселенной

Итак, перечислим основные модели Вселенной:

Модель де Ситтера: Модель расширяющейся Вселенной, предложенная в 1917 году, в которой не существует вещества или излучения. Эта нереалистичная гипотеза имела, тем не менее, исторически важное значение, поскольку в ней впервые выдвигалась идея о расширяющейся, а не статичной Вселенной.

Модель Леме́тра: Модель вселенной, которая начинается с Большого взрыва, сменяющегося затем статической фазой и последующим бесконечным расширением. Модель названа по имени Дж. Леме́тра (1894-1966), который в 1927 году опубликовал работу по расширению Вселенной. Он первым предложил рассматривать процесс расширения Вселенной от состояния "первичного атома", в то время как Эйнштейн всё ещё был сторонником теории статической Вселенной.

Модель Милна: Модель расширяющейся Вселенной без использования общей теории относительности, предложенная в 1948 году Эдвардом Милном (Edward Milne). Это расширяющаяся, изотропная и однородная Вселенная. не содержащая вещества. Она имеет отрицательную кривизну и неза́мкнута.

Модель Фридмана: Модель Вселенной, которая может коллапси́ровать внутрь себя. В 1922 г. советский математик А. А. Фридман (Alexander Friedmann, 1888-1925), анализируя уравнения общей теории относительности Альберта Эйнштейна, пришёл к выводу, что Вселенная не может находиться в стационарном состоянии — она должна либо расширяться, либо пульсировать. Сначала эта работа (1922 и 1924 гг.) была полностью проигнорирована, но позже на неё обратили внимание в связи́ с моделью Вселенной Леметра. Вселенная Фридмана может быть замкнутой, если плотность вещества в ней достаточно велика́, чтобы остановить расширение. Этот факт привёл к поиску так называемой недостающей массы. В дальнейшем выводы Фридмана получили подтверждение в астрономических наблюдениях, обнаруживших в спектрах галактик так называемое красное смещение спектральных линий, что соответствует взаимному удалению этих звездных систем.

Модель Эйнштейна-де Ситтера: Самая простая из современных космологических моделей, в которой Вселенная имеет нулевое давление, нулевую кривизну (т.е. плоскую геометрию) и бесконечную протяженность, а её расширение не ограничено в пространстве и во времени. Предложенная в 1932 г., эта модель является частным случаем (при нулевой кривизне) более общей вселенной Фридмана.

Вселенная расширяется

Итак - Вселенная расширяется! К этому выводу пришел американский астроном Эдвин Хаббл, повторивший эксперименты предшественников на существенно более обширном наблюдательном материале. В 1929 году он сообщил, что не только установил систематическое красное смещение спектральных линий галактик, но и определил закон, по которому скорости удаления галактик от нас возрастают по мере увеличения расстояния. Тем самым было доказано, что в мире галактик существует свой Гольфстрим, который разносит их по космическому пространству. Но почему этот факт означает нестационарность Вселенной? Ответ на этот вопрос подразумевает два уровня погружения в суть рассматриваемой проблемы. Первый - наиболее "простой", основывается на современных представлениях о природе тяготения, пространства и времени. Второй - более сложный, затрагивает первопричины нестационарности Вселенной, скорее отвечая на вопрос не столько как, сколько почему вообще Вселенная расширяется. Оба этих уровня принципиально важны для понимания проблемы, уходящей своими корнями к философским воззрениям Аристо́теля, Птолемея, Ньютона, Лейбница и Эйнштейна. Применительно к астрономии предсказания современной физики предельно лаконичны - в масштабах в десятки и сотни мегапарсек лишь одно из известных в природе взаимодействий - гравитационное - может определять характер движения небесных тел в космическом пространстве. Более того, следуя предсказаниям ОТО, можно утверждать, что именно гравитация материи приводит к искривлению пространства и времени, на фоне которого "пробные частички" - галактики движутся по инерции, своими траекториями лишь очерчивая отклонения свойств пространства и времени от свойств ньюто́новского абсолютного пространства. Тот факт, что галактики разбега́ются означает, что изменяются свойства пространственно-временно́го континуума, идет процесс его расширения, проявляющийся в хаббловском потоке галактик. Более того, в подтверждение этого тезиса можно выбрать в качестве меток кривизны и расширения пространства-времени не только галактики, но и их скопления - гигантские ко́мплексы, насчитывающие от нескольких до десятков тысяч галактик. Эти скопления как целое движутся в хаббловском потоке с тем же законом увеличения скорости по мере увеличения расстояния до них - расширение Вселенной проявляет себя одинаковым образом для любых "пробных частиц", независимо от их массы!