Понятие Метагалактики

11.5.4. Понятие Метагалактики

Совокупность галактик всех типов, квазаров, межгалактической среды образует Метагалактику - доступную наблюдениям часть Вселенной.

Одно из важнейших свойств Метагалактик - ее постоянное расширение, "разлет" скоплений Галактик. Об этом свойстве Метагалактик свидетельствует "красное смещение" в спектрах галактик и открытие реликтового излучения (фоновое, независимое от направления, внегалактическое тепловое излучение, соответствующее температуре ~ 3 K).

Из явления расширения Метагалактики вытекает важное следствие: то, что в прошлом расстояния между галактиками были меньше. А если учесть, что и сами галактики в прошлом были протяженными и разреженными газовыми облаками, то очевидно, что миллиарды лет назад границы этих облаком смыкались и образовывали некоторое единое однородное газовое облако, находившееся в постоянном расширении.

Важным свойством Метагалактики является закономерность распределения в ней вещества. Материя в масштабах Метагалактики распределена равномерно. (Основная масса вещества сосредоточена в звездах.). В современном состоянии Метагалактика - однородна и изотропна. Это значит, что свойства материи и пространства одинаковы во всех частях Метагалактики (однородность) и по всем направлениям (изотропия). Была ли она такой в прошлом - маловероятно. В самом начале расширения Метагалактики анизотропия и неоднородность материи и пространства вполне могли существовать. Поиски следов анизотропии и неоднородности прошлых состояний Метагалактики - одна из важнейших проблем современной внегалактической астрономии.

Исчерпывает ли Метагалактика собой всю возможную материю и пространство? Многие ученые так и считают. Они утверждают единственность всей нашей расширяющейся Метагалактики - Вселенной. Но такие утверждения невольно напоминают космологию Аристотеля, многократно повторявшиеся заявления о единственности Земли со светилами вокруг нее, единственности Солнечной системы, единственности нашей Галактики и т.д. И потому мысль о множественности "метагалактик", множественности вселенных, каждая из которых имеет свой собственный набор фундаментальных физических свойств материи, пространства и времени, свои тип нестационарности, организации и др.

Реально существует множество Вселенных (Метагалактик), образовавшихся в результате "Большого Взрыва", связанных между собой некими материальными "каналами", о которых мы пока можем только догадываться (понятие о топосах и др.), и для познания которых, скорее всего понадобится некая "новая физика" (если она вообще возможна).

11.6. Вселенная в целом

11.6.1. Особенности современной космологии

Вселенная как целое является предметом особой астрономической науки - космологии, имеющей древнюю историю, ее истоки уходят еще к античности.

Только в ХIХ в. и особенно в ХХ веке, когда был достигнут существенный прогресс в понимании природы и эволюции Вселенной как целого ситуация изменилась кардинально. Проблемы космологии современной наукой решаются с помощью исключительно научных понятий, представлений, теорий, а также приборов и инструментов, позволяющих понять, какова структура Вселенной и как она сформировалась.

Современная космология - это сложная, комплексная и быстро развивающаяся система естественнонаучных (астрономия, физика, химия, и др.) и философских знаний о Вселенной в целом, основанная как на наблюдательных данных, так и на теоретических выводах, относящихся к охваченной астрономическими наблюдениями части Вселенной. Теоретико-методологический фундамент современной космологии составляют основные физические теории (теория тяготения, квантовая теория, теория электромагнитного поля и др.), а также философские принципы и представления. Эмпирические данные представлены главным образом внегалактической астрономией. Эти данные свидетельствуют о том, что мы живем в эволюционирующей и расширяющейся Вселенной.

Имеет ли смысл рассматривать Вселенную в целом как единый целостный динамический объект? Современная космология в основном исходит из предположения, что на этот вопрос следует ответить положительно. Иначе говоря, она исходит из предположения, что глобальное движение космоса подчиняется тем же самым законам, которые управляют поведением его отдельных составных частей.

Какие силы регулирует космическое движение? Только электромагнитная и гравитационная силы являются в достаточной степени дальнодействующими, чтобы влиять на таких громадных расстояниях. Для крупных объектов - даже в рамках Солнечной системы - гравитация далеко опережает электромагнетизм по силе своего воздействия.

11.6.1.1. Понятие релятивистской космологии

Поскольку именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях, а значит динамику космической материи в масштабах Вселенной, то теоретическим ядром космологии выступает теория тяготения. Теоретическим ядром современной космологии выступает релятивистская теория тяготения, поэтому современную космологию называют релятивистской космологией.

Ньютоновская физика рассматривала пространство и время как "арену", на которой разыгрываются физические процессы; она не связывает воедино пространство и время. Согласно общей теории относительности (см. 9.2), распределение и движение материи изменяют геометрические свойства пространства-времени и, с другой стороны, сами зависят от них; гравитационное поле проявляется как искривление пространства-времени (чем значительнее кривизна пространства-времени, тем сильнее гравитационное поле).Уравнения гравитационного поля в ОТО представляют собой систему десяти уравнений. В отличие от теория тяготения Ньютона, в которой есть один потенциал гравитационного поля, который зависит от единственной величины - плотности массы, в теории Эйнштейна гравитационное поле описывается 10 потенциалами и может создаваться не только плотностью массы, но также потоком массы и потоком импульса.

Первую релятивистскую космологическую модель попытался построить А. Эйнштейн. В соответствии с предложенной Эйнштейном моделью Вселенная должна была быть пространственно конечной и иметь форму четырехмерного цилиндра.

Вселенная Эйнштейна конечна, но тем не менее повсюду одинакова; она имеет конечные размеры, но не имеет границ! Такая картина Вселенной явно возможна только в общей теории относительности с ее искривленным пространством. В модели Эйнштейна трехмерное пространство также обладает топологией сферы, только, разумеется, не в двух, а в трех измерениях. Поэтому у вселенной Эйнштейна пространственный объем конечен, и галактики распределены в нем равномерно в соответствии с космологическим принципом, но границы или края у этого пространства нет. Оно не распространено бесконечно во все стороны, а замыкается само на себя и, подобно поверхности сферы, допускает "кругосветные" путешествия. Это означает, что обитатель такой вселенной мог бы послать световой сигнал в любом направлении и потом обнаружить, что сигнал, обойдя всю вселенную, вернулся к нему с противоположной стороны.

Мысль Эйнштейна о замкнутой, конечной, но неограниченной вселенной выглядела, безусловно, новой и странной. Людям часто довольно трудно представить себе подобное, и они задают вопрос: что же находится "снаружи" конечной вселенной? Этот вопрос столь же бессмыслен для трехмерных существ, как и вопрос, что находится "вне" поверхности сферы, для плоских существ, вынужденных постоянно жить на сферической поверхности. Для вселенной Эйнштейна нет понятия "снаружи", потому что, если бы существовали "снаружи" и "внутри", между ними должна была бы проходить граница. В модели Эйнштейна такой границы нет. Каждая точка эквивалентна любой другой, и ни одна из них не ближе ни к "центру", ни к "краю". Просто ни центра, ни края не существует.

11.6.1.2.Нестационарная релятивистская космология

С критикой предложенной Эйнштейном космологической модели выступил наш отечественный выдающийся математик и физик-теоретик Александр Александрович Фридман (1888-1925). Именно А.А. Фридман, скромно опубликовавший свою работу в 1922 г., впервые сделал из ОТО космологические выводы, имеющиеся поистине революционное значение: он заложил основы нестационарной релятивистской космологии.

Фридман показал, что теоретическая модель Эйнштейна является лишь частным решением гравитационных уравнений для однородных и изотропных моделей. А в общем случае решения зависят от времени. Кроме того, Фридман показал, что решения такой теоретической модели не могут быть однозначными и не могут дать ответа на вопрос о форме Вселенной, ее конечности или бесконечности. Исходя из противоположного постулата (о возможном изменении радиуса кривизны мирового пространства во времени), Фридман нашел нестационарные решения "мировых уравнений" Эйнштейна.

Встретив сначала решения Фридмана с большим недоверием, Эйнштейн затем убедился в его правоте и согласился с критикой молодого физика. Нестационарные решения уравнений Эйнштейна, основанные на постулатах однородности изотропии, называются фридмановскими космологическими моделями.

А. А. Фридман показал, что решения "мировых уравнений" ОТО для Вселенной позволяют построить три возможные модели Вселенной. В двух из них радиус кривизны пространства монотонно растет и Вселенная расширяется (в одной модели - из точки; в другой - начиная с некоторого конечного объема). Третья модель рисовала картину пульсирующей Вселенной с периодически изменяющимся радиусом кривизны. Выбор моделей зависит от средней плотности вещества во Вселенной.

Но определение средней плотности вещества во Вселенной пока не надежно. Во Вселенной могут присутствовать не обнаруженные еще виды материи, дающие свой вклад в среднюю плотность. И тогда на "вооружение" придется брать "закрытую" модель Вселенной, в которой предполагается, что расширение в будущем сменится сжатием.