космологічні моделі всесвіту

Що таке космологія?

Сучасна космологія - це астрофізична теорія структури та динаміки зміни Метагалактика, що включає в себе і певне розуміння властивостей всієї Всесвіту. Космологія грунтується на астрономічних спостереженнях Галактики і інших зоряних систем, загальної теорії відносності, фізики мікропроцеси і високих густин енергії, релятивістської термодинаміки і ряді інших новітніх фізичних теорій.

Дане визначення космології бере в якості предмета цієї науки тільки Метагалактика. Це пов'язано з тим, що всі дані, якими володіє сучасна наука, відносяться тільки до кінцевої системі - Метагалактика, і вчені не впевнені, що при простій екстраполяції властивостей цієї Метагалактика на весь Всесвіт будуть отримані правдиві результати. При цьому, безумовно, судження про властивості всього Всесвіту є необхідною складовою частиною космології. Космологія сьогодні є фундаментальною наукою. І вона більше, ніж будь-яка інша фундаментальна наука, пов'язана з різними філософськими концепціями, по-різному розуміють устрій світу.

Космологія бере свій початок в уявленнях стародавніх, зокрема у давньогрецькій міфології, де дуже детально і досить систематизування розповідається про створення світу і його пристрої. Втім, міфологія будь-якого народу, досить розвиненого для того, щоб створювати космологічні міфи, може похвалитися не менш цікавими ідеями. І це не випадково. Величезний світ навколо нас завжди хвилювало людини. Він з давніх часів намагався зрозуміти, як влаштований цей світ, що таке в цьому світі Сонце, зірки, планети, як вони виникли. Це - з розряду тих питань, які прийнято називати "вічними", людина ніколи не перестане шукати відповіді на них.

Після того як з'явилася філософія, яка прийшла разом з наукою на зміну міфології, відповідь на ці питання стали ис-кати в основному в рамках філософських концепцій, причому майже кожен філософ вважав своїм обов'язком торкнутися їх.

Загальновизнаним підсумком античної космології стала геоцентрична концепція Птолемея, проіснувала протягом всього Середньовіччя.

З приходом Нового часу філософія поступилася свою першість у створенні космологічних моделей науці, яка домоглася особливо великих успіхів у XX столітті, перейшовши від різних припущень в цій області до досить обгрунтованим фактам, гіпотез та теорій. При цьому далеко не всі вчені згодні з вищенаведеним визначенням космології, багато хто вважає її вченням про Всесвіт в цілому, тобто вченням про всім, що існує.

Відповідаючи на закономірне питання, звідки ми можемо знати, що відбувається в масштабах Всесвіту, вони виходили з дуже популярної методологічної установки, яка передбачає, що на різних рівнях існування природи повторюються одні й ті ж закони, один і той же пристрій матеріальних систем. Відмінності можуть бути лише в масштабах. Така, наприклад, космологія Фурньє Дальба, англійської фізика, що з'явилася в 1911 році. Його Всесвіт чимось схожа на матрьошку: 'Всесвіт існує одна в іншій, менші всередині великих, і в їх пристрої виявляються одні й ті ж правила. До цього часу вже були відкриті перші елементарні частинки і створена планетарна модель атома. Так чому було не припустити, що ядро атома - це сонце, а електрони - планети, на яких навіть можуть жити люди. І де гарантія, що наш світ не є такою ж елементарною частинкою для Мегасвіту.

Тим не менше, незважаючи на всю грандіозність цієї ідеї, Всесвіт, влаштована з цього принципом, досить нудна і одноманітна. У такому випадку вона являє собою нескінченну сукупність однакових предметів.

Реальна природа куди складніше і многообразнее. Перехід від одних масштабів до інших, якщо цей перехід досить великий, і супроводжується корінними якісними змінами. Мікросвіт, про який ми вже говорили, виявився зовсім не схожим на те, що, вивчають астрономи. Що ж до Мегасвіту, незважаючи на природну обмеженість наших розмірів і знань, є всі підстави стверджувати, що з переходом до космічних масштабів нам нерідко доводиться зустрічатися з чимось принципово новим, невідомим в земній людській практиці.

Початок наукової космології

Засновником наукової космології вважається Микола Коперник, який помістив Сонце в центр Всесвіту і звів Землю до положення рядової планети Сонячної системи. Звичайно, він був дуже далекий від правильного розуміння устрою світу. Так, за його переконання, за орбітами п'яти відомих на той час планет розташовувалася сфера нерухомих-зірок. Зірки на цій сфері вважалися рівновіддаленими від Сонця, а природа їх була неясною. Коперник не бачив у них тіл, подобних'Солнцу, і, будучи служителем церкви, схилявся до думки, що за сферою нерухомих зірок знаходиться "емпіреї", або "житло блаженних" - обитель надприродних тіл і істот.

В одному Коперник був твердо переконаний - радіус сфери нерухомих зірок повинен був бути дуже великий. Інакше було б важко пояснювати, чому з рухається навколо Сонця Землі зірки здаються нерухомими.

Поставте перед особою вказівний палець і подивіться на нього поперемінно то правим, то лівим оком - палець зміщуватиметься па тлі більш далеких предметів, наприклад, стіни. Таке здається зміщення предмета при зміні позиції спостерігача називається параллактичний зміщенням. Відстань між крайніми точками спостереження називається базисом. Чим більше базис, тим більше і параллактичний зсув. Чим далі від нас спостережуваний предмет, тим менше параллактичний зсув. Відсуньте палець від імені і ви легко в цьому переконаєтесь.

Хоча відстань від Землі до Сонця в часи Коперника в точності не було відомо, багато факти говорили про те, що воно дуже велике. Здавалося б, при цьому зірки повинні описувати на небі маленькі кола - своєрідне відображення дійсного обертання Землі навколо Сонця. Але такі параллактичний зміщення зірок явно були відсутні, з чого Коперник і зробив висновок про колосальних розмірах сфери нерухомих зірок.

Всесвіт по Коперника - світ в шкаралупі. У цій моделі легко знайти чимало пережитків середньовічного світогляду. Але пройшло всього кілька десятиліть, і Джордано Бруно розбив коперніковскую "шкаралупу" нерухомих зірок.

Д. Бруно вважав зірки далекими сонцями, зігріваючими незліченні планети інших планетних систем. Бруно вважав дурнем того, хто міг думати, що могутні і чудові світові системи, які полягають у Від великого просторі, позбавлені живих істот. Так прозвучала безмежно смілива на ті часи думка про просторової нескінченність Всесвіту. Він вважав, що Всесвіт нескінченний, що існує незліченна кількість світів, подібних світу Землі. Він вважав, що 3, емля є світило, і що їй подібні Місяць і інші світила, число яких нескінченно, і що всі ці небесні тіла утворять нескінченність світів. Він уявляв собі нескінченну Всесвіт, містила в собі нескінченну безліч світів.

Ідеї Бруно набагато обігнали його вік. Але він не міг навести жодного факту, який би підтверджував його космологію-космологію нескінченною, вічною і населеної Всесвіту.

Минуло всього десятиліття, і Галілео Галілей у винайдений ним телескоп побачив у небі те, що до сих пір залишалося прихованим для неозброєного ока. Гори на Місяці наочно доводили, що Місяць і справді є світ, схожий на Землю. Супутники Юпітера, що кружляють навколо вели-чайшей з планет, були схожі на наочне подобу Сонячної системи. Зміна фаз Венери не залишала сумнівів у тому, що ця освітлена Сонцем планета справді обертається навколо нього. Нарешті, безліч невидимих оком зірок і особливо дивовижна зоряна розсип, складова Чумацький шлях, - хіба все це не підтверджувало вчення Бруно про незліченних сонця і землі? З іншого боку, темні плями, побачені Галілеєм на Сонці, спростовували вчення Арістотеля та інших стародавніх філософів про недоторканною чистоті небес. Небесні тіла виявилися схожими на Землю, і ця схожість земного і небесного змушувало поступово відмовитися від помилкового уявлення про Сонце як центрі всього Всесвіту.

Сучасник і друг Галілея, Іоганн Кеплер, уточнив закони руху планет, а великий Ісаак Ньютон довів, що всі тіла у Всесвіті незалежно від розмірів, хімічного складу, будівлі і інших властивостей взаємно тяжіють один до одного. Космологія Ньютона разом з успіхами астрономії XVIII і XIX століть визначила то світогляд, який іноді називають класичним. Воно стало підсумком початкового етапу розвитку наукової космології.

Ця класична модель досить проста і зрозуміла. Всесвіт вважається нескінченної в просторі і в часі, іншими словами, вічною. Основним законом, які керують рухом і розвитком небесних тіл, є закон всесвітнього тяжіння. Простір ніяк не пов'язано з розташованими в ньому тілами і грає пасивну роль вмістилища для цих тіл. Зникни раптом всі ці тіла, простір і час збереглися б незмінними. Кількість зірок, планет і зоряних систем у Всесвіті нескінченно велика. Кожне небесне тіло проходить тривалий життєвий шлях. І на зміну загиблим, точніше, згаслим зіркам спалахують нові, молоді світила. Хоча деталі виникнення і загибелі небесних тел залишалися неясними, в основному ця модель здавалася стрункою і логічно несуперечливою. У такому вигляді ця класична модель панувала в науці аж до початку XX століття.

Нескінченності Всесвіту в просторі гармонійно відповідала її вічність у часі. Нині, мільярд років тому, мільярди років в майбутньому вона залишиться, по суті, однієї і тією ж. Незмінність космосу ніби підкреслював тлінність, мінливість усього земного.

космологічні парадокси

Перша пролом в цієї спокійної класичної космології був пробитий ще в XVIII ст. У 1744 р. астроном Р. Шезо, відомий відкриттям незвичайною "пятіхвостой" комети, висловив сумнів у просторової нескінченності Всесвіту. У ту пору про існування зоряних систем і не підозрювали, тому міркування Шезо стосувалися тільки зірок.

Якщо припустити, стверджував Шезо, що в нескінченному Всесвіті існує незліченна кількість зірок і вони розподілені в просторі рівномірно, то тоді за будь-якого напрямку погляд земного спостерігача неодмінно натикався б на яку-небудь зірку. Легко підрахувати, що небосхил, суцільно всіяний зірками, мав би таку поверхневу яскравість, що навіть Сонце на його тлі здавалося б чорною плямою. Незалежно від Шезо в 1823 р. до таких самих висновків прийшов відомий німецький астроном Ф. Ольберса. Це парадоксальне твердження отримало в астрономії найменування фотометричного парадоксу Шезо-Ольберса. Таким був перший космологічний парадокс, який поставив під сумнів нескінченність Всесвіту.

Усунути цей парадокс вчені намагалися різними шляхами. Можна було припустити, наприклад, що зірки розподілені у просторі нерівномірно. Але тоді в деяких направлених на зоряному небі було б видно мало зірок, а в інших, якщо зірок незліченна кількість, їх сукупна яскравість створювала б нескінченно яскраві плями, чого, як відомо,. немає.

Коли відкрили, що міжзоряний простір не порожньо, а заповнено розрідженими газово-пиловими хмарами, деякі вчені стали вважати, що такі хмари, поглинаючи світло зірок, роблять з невидимими для нас. Однак в 1938 р. академік В. Г. Фесенков довів, що, поглинувши світло зірок, газо-во-пилові туманності знову перевипромінюють поглинену ними енергію, а це не рятує нас від. фотометричного парадоксу.

Наприкінці XIX ст. німецький астроном К. Зеелігер звернув увагу і на інший парадокс, неминуче що випливає з уявлень про нескінченність Всесвіту. Він отримав назву гравітаційного парадоксу. Неважко підрахувати, що в нескінченній Всесвіту з рівномірно розподіленими в ній тілами сила тяжіння з боку всіх тіл Всесвіту па дане чоло виявляється нескінченно великою або невизначеною. Результат залежить від способу обчислення, причому відносні швидкості небесних тел могли бути нескінченно великими. Тому що нічого схожого в космос не спостерігається, Зеелігер зробив висновок, що кількість небесних тіл обмежена, а значить, Всесвіт не нескінченна.

Ці космологічні парадокси залишалися нерозв'язаними до двадцятих років нашого століття, коли на зміну класичної космології прийшла теорія кінцевої і розширюється Всесвіту.

Ми вже говорили про початки термодинаміки і деяких висновках з них. Світ сповнений енергії, яка підпорядковується найважливішого закону природи - закону збереження енергії. При всіх своїх перетвореннях з одного виду в інший енергія не зникає і не виникає з нічого. Загальна кількість енергії залишається постійним. Здавалося б, з цього закону неминуче випливає вічний кругообіг матерії у Всесвіті. Справді, якщо в Природі при всіх змінах матерії вона не зникає і не виникає з нічого, а лише переходить з однієї форми існування до іншої, то Всесвіт вічна, і матерія, її складова, перебуває у вічному кругообігу. Таким чином, згаслі зірки знову перетворюються на джерело світла і тепла. Ніхто, звичайно, не знав. як це відбувається, але переконання в тому, що Всесвіт в цілому завжди одна й та ж, було в минулому столітті майже загальним.

Тим несподіванішою прозвучав висновок з другого закону термодинаміки, відкритого в минулому столітті англійцем У. Кельвіна і німецьким фізиком Р. Клаузіусом. При всіх перетвореннях різні види енергії в кінцевому рахунку переходять в тепло, яке, будучи надано собі, прагне до стану термодинамічної рівноваги, тобто розсіюється в просторі. Так як такий процес розсіювання тепла незворотній, то рано чи пізно всі зірки згаснуть, пса активні процеси в Природі припиняться і Всесвіт перетвориться в похмуре замерзле кладовищі. Настане "теплова смерть Всесвіту".

Приголомшуюча враження, вироблене на натуралістів минулого століття друге початком термодинаміки, було особливо сильно ще й тому, що навколо себе, в навколишньому нас Природі вони не бачили фактів, його спростовують. Навпаки, все, здавалося, підтверджувало похмурі прогнози Клаузіуса.

Звичайно, є в Природі і антіентропійние процеси, при яких безлад, а значить, і ентропія зменшуються. Такі процеси, що відбуваються в органічному світі, в людської діяльності. Але при більш глибокому розгляді ситуації завжди виявляється, що зменшення безладу в одному місці неминуче супроводжується його збільшенням в іншому. Більш того, який виник з вини людини безлад значно перевищує той порядок, який він вніс у Природу, так що в Зрештою ентропія і тут продовжує расті.Встать на позицію Клаузнуса -- це значітпрізнать, чтоВселенная мала колись початок і неминуче буде мати кінець. Дійсно, якщо б у минулому Всесвіт існував вічно, то в ній давно настав би стан теплової смерті, а так як цього немає, то, за переконання Клаузіуса і багатьох інших його сучасників, Всесвіт був створений порівняно недавно. А в майбутньому, якщо не станеться якесь диво. Всесвіт чекає теплова смерть.

На спростування другого початку термодинаміки були кинуті сили всіх матеріалістично мислячих вчених. Так, у 1895 р. Людвіг Больцман запропонував свою імовірнісну трактування другого початку. За його гіпотезою, зростання ентропії відбувається тому, що стан безладдя завжди більш імовірно, ніж стан порядку. Але це не означає, що процеси протилежного характеру, тобто мимовільні з зменшенням ентропії, абсолютно неможливі. Вони в принципі можливі, хоча й вкрай малоймовірні.

Скрізь ми спостерігаємо, як тепло від більш гарячого тіла переходить до більш холодного. Однак в принципі можливо й інше: шматок льоду, кинутий у піч, збільшить її жар. Чи не виключено і така подія, що всі молекули повітря в нашій кімнаті зберуться раптом в одному кутку, а ви загинете від задухи в іншому. Нарешті, можливо, що мавпа, посаджена за друкарську машинку, випадково вистучіт пальцем сонет Шекспіра. Всі ці події можливі, але вірогідність їх близька до нуля. Така ж, по Больцманом, ймовірність існування нас з вами.

Больцман НЕ сумнівався, що Всесвіт бесконечна у просторі та часі. В основному і майже завжди вона перебуває в стані теплової смерті. Однак іноді в деяких її районах виникають вкрай малоймовірні відхилення (флуктуації) від звичайного стану Всесвіту. До однієї з них належить Земля і весь видимий нами космос. У цілому ж Всесвіт - позбавлений життя мертвий океан з деяким кількістю острівців життя.

Гіпотеза Больцмана хоча і поставила під сумнів загальність і строгу обов'язковість другий початку, не змогла задовольнити оптимістично мислячих учених. До того ж і розрахунки показали, що ймовірність виникнення такої гігантської флуктуації в просторі практично дорівнює нулю.

Були й інші спроби пояснити цей термодинамічний парадокс, але вони так само не увінчалися успіхом.

Три космологічних парадоксу: фотометричний, гравітаційний та термодинамічний - Змусили вчених серйозно засумніватися у нескінченності і вічності Всесвіту. Саме-вони змусили А. Ейнштейна в 1917р. виступити з гіпотезою про кінцеву, але безмежної Всесвіту.

Припустимо, що речовину, що складає планети, зірки і зоряні системи, рівномірно розсіяна по всьому світовому простору. Тим самим ми припускаємо, що Всесвіт всюди однорідна і до того ж ізотропна, тобто у всіх напрямках має однакові властивості. Будемо вважати, що середня густина речовини у Всесвіті вище так званої критичної щільності. Якщо всі ці вимоги дотримані, світове простір, як це довів Ейнштейн, замкнуто і являє собою чотиривимірні сферу, для якої вірна не звична шкільна геометрія Евкліда, а геометрія Рімана.

Неевклидова геометрії

Ми звикли, що в двомірному просторі, тобто на площині, є своя, притаманна тільки площині геометрія. Так, сума кутів у будь-якому трикутнику дорівнює 180 °. Через точку, що лежить поза прямій, можна провести тільки одну пряму, паралельну запропонованої. Це - постулати евклідової геометрії. За аналогією передбачається, що і реальне тривимірний простір, в якому ми з вами існуємо, є евклідів простір. І всі аксіоми площинний геометрії залишаються вірними і для простору трьох вимірів. Такий висновок протягом багатьох століть не піддавався сумніву. Лише в минулому столітті незалежно один від одного російська математик Микола Лобачевський і німецький математик Георг Рі-ман засумнівалися в загальновизнаному думці. Вони довели, що можуть існувати й інші геометрії, відмінні від евклідової, але настільки ж внутрішньо несуперечливі.

Отже, п'ятий постулат Евкліда стверджує, що через точку поза прямою можна провести лише одну пряму, паралельну даній. Логічно міркуючи, легко побачити ще два можливості:

- через точку поза прямою не можна провести ні однієї прямої, паралельної даній (постулат Рімана);

- через точку поза прямою можна провести безліч прямих, паралельних даній (постулат Лобачевського).

На першу погляду ці твердження звучать абсурдно. На площині вони й справді невірні. Але ж можуть існувати й інші поверхні, де мають місце постулати Рімана і Лобачевського.

Уявіть собі, наприклад, поверхня сфери. На ній найкоротша відстань між двома точками відраховується не по прямій (на поверхні сфери прямих пет), а по дузі великого кола (так називають кола, радіуси яких дорівнюють радіусу сфери). На земній кулі подібними найкоротшими, або, як їх називають, геодезичними, лініями служать меридіани. Всі меридіани, як відомо, перетинаються в полюсах, і кожен з них можна вважати прямої, паралельної даного меридіану. На сфері виконується своя, сферична геометрія, в якій вірно твердження: сума кутів трикутника завжди більше 180 °. Уявіть собі на сфері трикутник, утворений двома меридіанами і дугою екватора. Кути між меридіанами і екватором рівні 90 °, а до їх суми додається кут між меридіанами з вершиною в полюсі. На сфері, таким чином, немає непересічних прямих.

Існують і такі поверхні, для яких надається вірним постулат Лобачевського. До них відноситься, наприклад, сідлоподібна поверхню, яка називається псевдосферой. На ній сума кутів трикутника менше 180 °, і неможливо провести жодної прямої, паралельної даній.

Після того, як Ріман і Лобачевський довели внутрішню несуперечність своїх геометрій, виникли законні сумніви в евклідовому характер реального тривимірного простору. Чи не є воно викривленому зразок сфери або псевдосфери? Звичайно, наочно уявити собі викривленій тривимірного простору неможливо. Можна лише міркувати за аналогією. Тому, якщо реальне простір не евклідів, а сферичне, не слід уявляти його собі у вигляді деякої звичайної сфери. СФЕРИЧНИЙ простір є сфера, але сфера чотиривимірні, що не піддається наочного подання. За аналогією можна зробити висновок, що обсяг такого простору кінцевий, як кінцева поверхню будь-якої кулі - її можна висловити кінцевим числом квадратних сантиметрів. Поверхня всякої чотиривимірний сфери також виражається в кінцевому кількості кубометрів. Таке сферичне простір не має меж і в цьому сенсі -- безмежно. Летячи в такому просторі по одному напрямку, ми в кінці кінців повернемося у вихідну точку. Так само і муха, що повзе по поверхні кулі, ніде не знайде кордонів. У цьому сенсі і поверхня будь-якої кулі безмежна, хоча і скінченна. Тобто безмежність і нескінченність - різні поняття.

Модель розширюється всесвіту

Отже, повернемося до Ейнштейна, з розрахунків якого випливало, що наш світ є чотиривимірний сферою. Обсяг такого Всесвіту може бути виражений хоча і дуже великим, але все ж кінцевим числом кубометрів. У принципі можливо облетіти всю замкнуту Всесвіт, рухаючись весь час в одному і тому ж напрямку. Таке уявна подорож подібно земним кругосвітні подорожі. Але кінцева але обсягом Всесвіт в той же час безмежна, як не має меж поверхню будь-якої сфери. Всесвіт за Ейнштейна, містить хоча й велика, але все-таки кінцеве число зірок і зоряних систем, а тому до неї фотометричний і гравітаційний парадокси просто непридатні. У той же час привид теплової смерті тяжіє і над Всесвіту Ейнштейна-така Всесвіт, кінцева у просторі, неминуче йде до свого кінця в часі. Вічність їй не притаманна.

П'ять років по тому, у 1922 р., радянський фізик Олександр Фрідман на підставі строгих розрахунків показав, що Всесвіт Ейнштейна ніяк не може бути стаціонарною, незмінною, як це вважав Ейнштейн. Всесвіт неодмінно повинна розширюватися, причому мова йде про розширення самого простору, тобто про збільшення всіх відстаней світу. Всесвіт Фрідмана нагадувала роздуваються мильний міхур, у якого і радіус, і площа поверхні безперервно збільшуються.

Ідея Фрідмана спочатку здалася Ейнштейну занадто сміливої і необгрунтованою. Він навіть запідозрив помилку в обчисленнях. Але, ознайомившись з ними, він публічно визнав, що ми живемо в розширюється Всесвіту.

З розрахунків Фрідмана витікали три можливі наслідки:

Всесвіт і її простір розширюються з плином часу;

Всесвіт стискається; у Всесвіті чергуються через великі проміжки часу цикли стиснення та розширення.

Докази на користь моделі розширюється Всесвіту були отримані в 1926 р., коли американський астроном Е. Хаббл відкрив при дослідженні спектрів далеких галактик (існування яких було доведено в 1923 р. тим же Хабб-лом) червоне зміщення спектральних ліній (зміщення ліній до червоного кінця спектра), що було витлумачено як наслідок ефекту Допплера (зміна частоти коливань або довжини хвиль через руху джерела випромінювання і спостерігача по відношенню один до одного) - видалення цих галактик один від одного зі швидкістю, яка зростає з відстанню. За останніми вимірами, це збільшення швидкості розширення становить приблизно 55 км/с на кожен мільйон парсек. Після цього відкриття висновок Фрідмана про нестаціонарності Всесвіту отримав підтвердження і в космології утвердилася модель розширюється Всесвіту.

Спостережуване нами розбігання галактик є наслідок розширення всього простору замкнутої кінцевої Всесвіту. При такому розширенні простору всі відстані під Всесвіту збільшуються подібно до того, як ростуть відстані між порошинами на поверхні роздувається мильної бульбашки. Кожну з таких пилинок, як і кожну з галактик, можна з повним правом вважати центром розширення.

Подальше розвиток модель розширюється Всесвіту отримала в післявоєнні роки й особливо в останні десятиліття завдяки дослідженням відомих вітчизняних космологів Зельдовича і Новікова. Уточнені величини, що характеризують швидкість розширення Всесвіту, розглянуті різні варіанти моделей Всесвіту в залежності від середньої щільності речовини у світовому просторі, досить докладно намічений хід еволюції Всесвіту від моменту початку її розширення.

Яке ж майбутнє чекає наш Всесвіт? Ми вже згадували, що розрахунки Фрідмана допускали три варіанти розвитку подій. За яким з них йде еволюція Всесвіту, залежить від ставлення гравітаційної енергії до кінетичної енергії розлітаються речовини. Це відношення можна звести до відношення щільності речовини у Всесвіті до критичної щільності речовини, яку ми вже згадували.

Якщо кінетична енергія розльоту речовини переважає над гравітаційної енергією, перешкоджає розльоту, то сили тяжіння не зупинять разбегания галактик і розширення Всесвіту носить безповоротний характер. Це виражається умовою р1 р ^ - <1, (де р - щільність речовини у Всесвіті, р ^ - критична щільність речовини). Цей варіант динамічної моделі Всесвіту називають "відкритої Всесвіту ". Якщо ж переважає гравітаційне взаємодія, чому відповідає умова р/р ^>, то темп розширення з часом сповільниться до повної зупинки, після чого почнеться стиснення речовини аж до повернення Всесвіту в початковий стан сингулярності (крапковий об'єм з нескінченно великою щільністю). Для спостерігача сигналом переходу від розширення до стиску стане зміна червоного зміщення ліній хімічних елементів у спектрах віддалених галактик на фіолетове зсув. Такий варіант моделі названий "закритої Всесвіту ". У випадку, коли сили гравітації точно рівні кінетичним силам, то Тобто коли р/р,, = 1, розширення не припиниться, але його швидкість з часом буде прагнути до нуля. Через кілька десятків мільярдів років після початку розширення Всесвіту настане стан, який можна назвати квазістаціонарних. Теоретично можлива і пульсація Всесвіту.

Виникає природне запитання: який з трьох варіантів реалізується в нашого Всесвіту? Відповідь на нього залишається за спостережної астрономією, яка має оцінити сучасну середню щільність речовини у Всесвіті й уточнити значення постійною Хаббла (швидкість розширення галактик). Поки надійні оцінки цих величин відсутні. На підставі сучасних даних створюється враження, що середня густина речовини у Всесвіті близька до критичного значення, вона або трохи більше, або трохи менше. Але від цього "трохи" залежить майбутнє Всесвіту, правда, досить віддалене. Постійне Хаббла дозволяє оцінити час, протягом якого триває процес розширення Всесвіту. Виходить, що воно не менше 10 млрд. і не більше 19 млрд. років. Найбільш вірогідним часом існування розширюється Всесвіту вважають 15 млрд. років.

Деякі труднощі гіпотези розширюється всесвіту

Все, що тут до цих пір було сказано, - це тільки гіпотези, засновані на деяких реальних фактах. Однак ті ж самі факти можна трактувати й інакше.

Так, неодноразово робилися спроби витлумачити червоний зсув не як наслідок ефекту Доннлера і розширення Всесвіту, а як наслідок зменшення енергії і власної частоти фотонів при русі їх протягом багатьох мільйонів років в міжгалактичному просторі, в результаті взаємодії з гравітаційними полями, фоном нейтрино, не спостерігається поки матерією. Подібні спроби відкидалися на тій підставі, що вони були засновані на припущенні деякого невідомого ще закону природи і феномена взаємодії випромінювання з іншими видами матерії.

Але справа в тому, що прийняття червоного зсуву як наслідку ефекту Допплера веде до наслідків, які, якщо їх прийняти, грунтуються на сукупності ще більше неясних і невідомих законів природи, причому їх число набагато більше, ніж у вказаної гіпотези. Сьогодні є дані спостережень квазарів. Спектральні лінії квазарів мають аномальне високу червоне зміщення - 2,5 - 2,8. Це означає, що якщо б таке червоне зміщення було обумовлено ефектом Допплера, то швидкість видалення квазарів в 2,5 - 2,8 рази перевищувала б швидкість світла, що неможливо. Звідси випливає, що більша частина червоного зсуву квазарів обумовлена надзвичайно потужним полем тяжіння, тобто є гравітаційним. Якщо в інших галактиках є подібні об'єкти, то їх гравітаційне червоне зміщення буде істотно впливати на загальний червоне зміщення, внаслідок чого картина динаміки галактик і відстаней до них виявиться іншою порівняно з чисто кінематичної трактуванням червоного зсуву. Адже зараз виявлено надзвичайно віддалені галактики, червоного зсуву яких відповідає, по ефекту Допплера, швидкість взаємного видалення в 150 тис. км/с, і, мабуть, ця швидкість далі зростає ще більше, наближаючись до швидкості світла, поки галактики не зникають за горизонтом принципової наблюдаемості. Така жахлива кінетична енергія, порівнянна з енергією маси спокою галактик, не може бути виведена ні з яких фізичних законів.

Також необгрунтовано твердження про можливість переходу всієї матерії в точкову сингулярність. Адже в релятивістської астрофізиці допускається існування не однієї, а дуже багатьох відносних сингулярностей в центрах чорних дір, які, однак, мають кінцеву довжину й масу, взаємодіють з оточенням і навіть, "Випаровуються" в результаті просочування часток у зовнішній простір через потенційний бар'єр.

Виникають суперечності і в поясненні самого феномену розширення. Якщо розширення є дійсним фізичним процесом, то воно відбувається за рахунок "Вторгнення" розширюється Всесвіту або в вакуум типу псевдоевклідова простору, або в простір інших космічних систем Всесвіту. Існування абсолютного вакууму не можна допустити, бо простір є атрибутом матерії і поза її не існує. Залишається визнати розширення під внутрішній простір інших матеріальних систем, які самі можуть як стискатися, так і розширюватися, розвиваючись за власними законами. Але тоді сучасна космологічна теорія буде охоплювати лише Метагалактика.

Можна, правда, стати на іншу точку зору і припустити, що розширення Всесвіту дійсно відбувається, але ніякого зовнішнього осяжний простору і інших космічних систем не існує; просто сам простір як би створюється в процесі розширення Всесвіту, в тому сенсі, що з плином часу збільшується відстань між будь-якими точками і змінюється геометрія простору.

Але така точка зору містить в собі внутрішні суперечності. Якщо б було розширення простору самого по собі, то відбувалося б збільшення розмірів всіх матеріальних систем: елементарних часток, атомів, молекул, планет, зірок, галактик, причому в тій самій пропорції, що і збільшення відстаней між галактиками. Тим часом нічого подібного в світі не відбувається, є розширення тільки в масштабах Метагалактика.

У літературі з космології висловлюється думка, що різні космологічні моделі Всесвіту, висунуті на основі рішення рівнянь загальної теорії відносності, можуть характеризувати не просто одну наш Всесвіт, але різні стани Всесвіту в різні періоди її існування в минулому і майбутньому, аналогічно потенційно можливих світів в концепції Лейбніца. Все, що не заборонено законами природи, де-небудь і коли-небудь може бути реалізовано.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://referat2000.bizforum.ru/