Расширяющася Вселенная

Введение.

Идея эволюции всей Вселенной представляется вполне естественной и даже необходимой сегодня. Однако так было не всегда. Как и всякая великая научная идея, она прошла сложный путь борьбы и становления, пока не восторжествовала в науке. Сегодня эволюция Вселенной является научным фактом, всесторонне обоснованным многочисленными астрофизическими наблюдениями и имеющими под собой прочный теоретический базис всей физики.

Научная физическая космология может считаться детищем XX века. Только в прошлом веке Альбертом Эйнштейном была создана релятивистская теория тяготения (общая теория относительности), которая является теоретическим фундаментом науки о строении Вселенной.

С другой стороны, успехи наблюдательной астрономии начала прошлого века – установление природы галактик открытие закона красного смещения Хаббла, а в последние годы успехи радиоастрономии, новые методы физических исследований, включая методы исследований с помощью космических аппаратов, создали наблюдательный фундамент космологии.

Началом современного этапа развития космологии является работа ученого А.А. Фридмана, выполненные в 1922-1924 г.г. На основе теории Эйнштейна он построил математические модели движения вещества во всей Вселенной под действием сил тяготения. Фридман доказал, что вещество Вселенной не может быть стационарной; она должна либо сжиматься, либо расширяться и, следовательно, плотность вещества во Вселенной должна либо уменьшаться, либо увеличиваться.

Так теоретически открыта необходимость глобальной эволюции Вселенной.

1. Крупномасштабная однородность и изотопия Вселенной.

Любые попытки построения модели окружающего нас мира начинаются, конечно, с осмысливания наблюдений.

Что представляет собой наблюдаемая нами Вселенная?

До последнего времени астрономы могли наблюдать непосредственно лишь светящиеся тела, т.е. звезды, светящийся газ, звездные системы.

В сравнительно небольших масштабах звезды распределены в пространстве совершенно неравномерно. Это стало ясно с того времени, когда поняли, что Млечный Путь является гигантским скоплением звезд – Галактикой. По мере того, как сила телескопов возрастала и совершенствовались методы астрофизических исследований, выяснилось, что галактик много, что они распределены неравномерно, и что общая картина Вселенной представляется совокупностью отдельных скоплений галактик. Размеры скоплений и количество галактик в них бывают весьма различны. Большие скопления содержат тысячи галактик и имеют размеры в несколько мегапарсек (1пк=3,1*10¹⁸см, 1Мпк=10⁶пк). Среднее расстояние между большими скоплениями около 30 Мпк, т.е. примерно в 10 раз больше, чем размеры скоплений. Это означает, что средняя плотность каждой структурной единицы в 100-1000 раз больше, чем та плотность, которая бы получилась, если бы все вещество равномерно «размазать» по всему пространству. Имеются и более крупные сгущения – сверхскопления. Таким образом, в масштабе 30 Мпк имеются отдельные структурные единицы, и, следовательно, Вселенная неоднородна. Если взять в 10 раз больший масштаб, то в таком кубе, где бы его не помещать, будет примерно и то же количество скоплений галактик (примерно около 1000), т.е. в большом масштабе Вселенная приблизительно однородна. Пока исследовались скопления галактик с помощью оптических телескопов, мы не очень хорошо представляли их распределение в пространстве.

Точность оптических методов определений распределения галактик в пространстве не слишком велика и утверждение о том, что мир в среднем однороден, имело точность около 10-20%. За последние полвека появились новые методы исследования крупномасштабной однородности и изотопии (так называют независимость свойств от направления в пространстве) Вселенной. Они связаны в первую очередь с измерением так называемого реликтового радиоизлучения, приходящего к нам с огромных расстояний. Самые точные сегодняшние измерения не обнаружили отклонений в интенсивности такого излучения в разных направлениях на небе с относительной точностью в 10^-14 / 10^-5. Это свидетельствует о том, что свойства Вселенной одинаковы по всем направлениям, т.е. что Вселенная изотопна с высокой точностью. Но эти наблюдения свидетельствуют также и о том, что Вселенная с высокой точностью однородна. Отклонения в плотности распределения вещества до среднего значения в масштабах 1000 Мпк не превышает трех процентов, а в больших масштабах эти отклонения еще существенно меньше.

Таким образом, важнейшей наблюдаемой особенностью Вселенной является неоднородность, структурность в малом масштабе и однородность в большом масштабе.

В масштабах сотни мегапарсек вещество Вселенной можно рассматривать как однородную непрерывную среду, «атомами» которой являются галактики, скопления галактик или даже сверхскопления.

В 19 веке делались попытки построения так называемых иерархических моделей Вселенной. Согласно таким моделям во Вселенной имеется бесконечная последовательность систем все более высокого порядка: звезды объединены в галактики, галактики в скопления галактик, скопления образуют сверхскопления и т.д. до бесконечности. Наблюдения опровергают такое предположение.

При рассмотрении крупномасштабной структуры Вселенной надо исходить из свойств ее однородности и изотопии.

2. Теория предсказывает нестационарность Вселенной.

Посмотрим, к каким выводам ведет факт однородного распределения вещества во Вселенной.

Важнейшей силой, действующей в мире небесных тел, является сила всемирного тяготения.

Закон, управляющий этой силой, был установлен И. Ньютоном в XVII веке.

Теория тяготения Ньютона и ньютоновская механика явились величайшим достижением естествознания. Они позволяют описать с большой точностью обширный круг явлений, в том числе движение естественных и искусственных тел в Солнечной системе, движения в других системах небесных тел: в двойных звездах, в звездных скоплениях, в галактиках.

На основе теории тяготения Ньютона были сделаны предсказания существования неизвестной ранее планеты Нептун, предсказания существования спутника Сириуса и многие другие предсказания, впоследствии блестяще подтвердившиеся. В настоящее время закон Ньютона является фундаментом, на основании которого в астрономии вычисляются движения и строение небесных тел, их эволюция, определяются массы небесных тел. Однако в некоторых случаях, когда поля тяготения становятся достаточно сильными, а скорости движения в них приближаются к скорости света, тяготение уже не может быть описано законом Ньютона. В этом случае надо пользоваться релятивистской теорией тяготения, созданной А. Эйнштейном в 1916 г.

Необходимость выхода за рамки ньютоновской теории тяготения в космологической проблеме была осознана давно, задолго до создания Эйнштейном новой теории. Но оказывается, что и теория тяготения Эйнштейна, и теория тяготения Ньютона обладают одной важной особенностью, которая позволяет выяснить важнейшее свойство модели Вселенной, не прибегая к сложной теории Эйнштейна, а пользуясь исключительно теорией Ньютона.

Итак, вернемся к общему важному свойству теорий Эйнштейна и Ньютона.

Дело в том, что сферически- симметричная материальная оболочка не создает никакого гравитационного поля во внутренней полости. Покажем это в случае теории Ньютона.

Рассмотрим материальную сферу (рисунок 1).