Эволюционирующий космос

Издавна живой интерес исследователей вызывала Вселенная как единое целое. Во все времена самые смелые умы человечества предпринимали отчаянные попытки теоретически обобщить накопленный материал наблюдений и построить модель Вселенной. Сегодня этими сложными вопросами занимается особая дисциплина-космология. Она не касается отдельных форм существования материи-не атомы, не молекулы и даже не планеты, солнца и звездные системы составляют круг ее интересов. Космология рассматривает крупномасштабные аспекты Вселенной и оперирует лишь некоторыми фундаментальными свойствами материи. Космология ставит своей задачей решить глобальную проблему: как построена Вселенная в целом и какова ее история?

Одной из основных посылок, из которых исходит современная космология, является следующая: фундаментальные законы физики справедливы всюду и во все времена. Другая посылка состоит в том, что во Вселенной нет каких-либо "исключительных" (выделенных) направлений и областей. Это означает, что распределение материи во Вселенной однородно и изотропно. Любой наблюдатель, в каком бы уголке Вселенной он ни находился, будет видеть одинаковую Вселенную, т.е. "регистрировать" одни и те же значения средней плотности, соотношения движений и констатировать наличие одних и тех же законов расширения Вселенной.

Несмотря на концентрацию материи в больших звездных системах и их скоплениях в грандиозных масштабах космоса, ее распределение можно считать равномерным. По сравнению с огромными межзвездными пространствами протяженность звездных систем так незначительна, что подобное допущение вполне оправдано. Согласно приближенным оценкам, средняя плотность вещества во Вселенной чрезвычайно мала: порядка 4-10 -31 г/см³. Чтобы читатель мог нагляднее представить "пустоту" Вселенной, заметим, что эта величина соответствует плотности вещества порядка 1 атома водорода на 1 м³.

Галактики М 81 и М 82 (внизу)-нерегулярная звездная система, известная также как радиоисточник ЗС 231

Современные гипотезы о Вселенной как едином целом базируются на общей теории относительности Эйнштейна, которую он разработал в 1916 г. и которая по праву считается одним из величайших и основополагающих достижений науки XX в. Общая теория относительности - это теория гравитации в космических масштабах. В отличие от закона всемирного тяготения Ньютона общая теория относительности утверждает, что материя и пространство-время неотделимы друг от друга. Если, согласно Ньютону, "удалив из Вселенной материю", мы получим "пустое" пространство, то по Эйнштейну все выглядит совершенно иначе: "убрав" материю, мы тем самым "убрали" бы и само пространство.

Структура пространства в общей теории относительности не подчиняется законам евклидовой геометрии. Теории искривленных "неевклидовых" пространств еще в XIX в. были разработаны великими математиками Карлом Фридрихом Гауссом, Николаем Ивановичем Лобачевским и Бернхардом Риманом. Конечно, тогда они не могли предполагать, что подобные пространства реальны.

Эйнштейн сам предпринял попытку создать модель Вселенной на основе общей теории относительности - это была так называемая статическая модель.

Вселенная Эйнштейна находится в равновесии, обладает конечными размерами и одновременно не имеет границ! Общая теория относительности с ее искривленным пространством в принципе допускает столь невероятную, казалось бы, картину: пространство как бы замыкается само на себя. Двумерной аналогией такой модели может служить поверхность шара: она конечна и вместе с тем не имеет границ. Луч света, посланный из какой-либо точки этой вселенной Эйнштейна, должен обогнуть всю ее и по прошествии конечного интервала времени вернуться в исходную точку (ведь именно так путешественник, шагающий по одной дуге на поверхности шара, через какое-то время вновь возвращается домой). Вселенная Эйнштейна обладает конечной массой, которая определяется ее объемом и плотностью вещества. Таким образом,эта Вселенная не развивается как некое целое- она статична.

В 1922 г. советский математик Александр Александрович Фридман (1888-1925) опубликовал работу, где на основании общей теории относительности предложил ряд моделей эволюционирующих вселенных, т.е. расширяющихся либо сжимающихся. Первоначально большинство специалистов восприняли эти гипотезы как абсурдные.

Лишь после того, как Хаббл и Хьюмасон экспериментально обнаружили "разбегание" галактик, т.е. установили всеобщее расширение Вселенной, модели Фридмана стали предметом серьезного внимания. И до сих пор они продолжают оставаться основополагающими при анализе космологических проблем.