Космологический постулат

11.6.1.3. Космологический постулат

Представление о нестационарности Вселенной удивительным образом сочетается в современной космологии с представлением об однородности Вселенной. Достаточно неожиданно то, что Вселенная оказывается однородной в самых различных смыслах.

Во-первых, Вселенная однородна в том смысле, что структурные детали далеких звезд и галактик, физические законы, которым они подчиняются, и, естественно, определенные величины (такие, как заряд электрона), по-видимому, с большой степенью точности одинаковы повсюду, т. е. те же, что и в нашей области Вселенной, включая, конечно, и Землю. Типичная галактика, находящаяся в сотне миллионов световых лет от нас, выглядит в основном так же, как наша. Спектры атомов, а следовательно, законы химии и атомной физики там идентичны известным на Земле. Этот обстоятельство позволяет уверенно распространять открытые в земной лаборатории законы физики на более широкие области Вселенной.

Во-вторых, говоря о космической однородности Вселенной, имеют в виду однородность распределения вещества. Как видно из предыдущего, вещество Вселенной разбросано в виде сгустков. Оно собрано в звезды, которые в свою очередь группируются в скопления, и так вплоть до масштабов галактик. Сами галактики также расположены группами. Некоторые космологи утверждают, что такое объединение продолжается до бесконечности и имеет характер иерархии, в которой каждое последующее образование отделено от ему подобных все большими промежутками пустого пространства. Однако более принято считать - и это суждение подкреплено рядом достаточно надежных результатов наблюдений, - что подобное объединение останавливается на скоплениях галактик, а более крупномасштабное распределение вещества одинаково во всей Вселенной. Это распределение как однородно (одинаково во всех областях), так и изотропно (одинаково во всех направлениях). Предположение о том, что Вселенная в крупных масштабах однородна, разделяется теперь большинством (хотя и не всеми) космологов; оно известно как космологический постулат.

Представление об однородности Вселенной еще раз доказывает, что Земля не занимает во Вселенной сколько-нибудь привилегированного положения. До Коперника человек помещал Землю в центр Вселенной, а все прочие небесные тела должны были обращаться вокруг нее. Открытие Коперника, доказавшего, что Земля движется вокруг Солнца, навсегда разрушило эту иллюзию. Но еще долго не было уверенности у астрономов в том, что с Землей, Солнцем, нашей Галактикой не связана какая-нибудь исключительность. Ныне мысль о том, что наша область Вселенной могла бы быть чем-то нетипичной, считается по меньшей мере еретической. Физические условия в ближайших к нам областях Вселенной более не рассматриваются как особые; они характерны для любого "среднего" места во Вселенной. Пусть наши Земля, Солнце или Галактика кажутся чем-то исключительно важными людям, для Вселенной в целом они не представляются ни важными, ни исключительными.

11.6.1.4. Возраст Вселенной

Представление о Вселенной было широко распространено среди астрономов лет сто назад. Считалось; что во всем бесконечном пространстве всегда были равномерно разбросаны постоянно светящиеся звезды. ХХ век внес в это представление существенные коррективы.

В 1929 г., американский астроном Эдвин Хаббл (1889 - 1953) огласил некоторые результаты измерений спектра света, приходящего к нам от удаленных галактик. Изучение спектрального состава света далеких звезд показало систематический сдвиг спектральных линий в красную область (т. е. к низкочастотному концу видимого спектра). Хаббл обнаружил, что это так называемое красное смещение возрастает пропорционально расстоянию до галактики. Стало очевидным, что удаленные галактики разбегаются от нас "в организованном порядке": чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется. Отсюда следовал совершенно однозначный вывод - Вселенная находится в состоянии расширения. Это неожиданное открытие в корне изменило все представления космологии. Расширяющаяся Вселенная - это Вселенная изменяющаяся, у нее есть биография, возможно даже с датами рождения и смерти.

Закон Хаббла дает возможность определять возраст Вселенной. По современным представлениям он оценивается от 10 до 20 миллиардов лет. Нестационарные модели релятивистской космологии позволяют уточнить эти данные. В соответствии с наиболее распространенным представлением возраст Вселенной от сингулярности до современной эпохи составляет ~ 15-20 млрд. лет.

11.7. Эволюция Вселенной

11.7.1. Модель горячей Вселенной

В основе современных представлений об эволюции Вселенной лежит модель "горячей Вселенной", основы которой были заложены в трудах американского физика русского происхождения Джорджа (Георгия Антоновича) Гамова (1904-1968) и его сотрудниками в конце 40-х годов ХХ века. Эту концепцию еще называют концепцией "Большого Взрыва". В соответствии с этой концепцией на ранних стадиях расширения Вселенная характеризовалась не только высокой плотностью вещества, но и его высокой температурой.

Ключ к пониманию ранних этапов эволюции Вселенной скрыт в гигантском количестве теплоты, выделившейся при Большом взрыве. В своем простейшем варианте теория горячей Вселенной предполагает, что Вселенная спонтанно возникла в результате взрыва из состояния с бесконечно большой плотностью и бесконечно большой тепловой (внутренней) энергией (состояние сингулярности). По мере расширения Вселенной температура падала - сначала быстро, а затем все медленнее - от бесконечно большого значения до довольно низкой величины, при которой возникли условия, благоприятные для образования звезд и галактик. На протяжении около 1 млн. лет температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию атомов. Таким образом, примерно 1 млн. лет космическое вещество сохраняло форму разогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизилась приблизительно до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы. Таким образом, атомы - это реликты эпохи, наступившей через 1 млн. лет после Большого взрыва.

Модель горячей Вселенной получила экспериментальное подтверждение после открытия в 1965 г. "реликтового излучения" - микроволнового фонового излучения с температурой ~ 3° K. Косвенным подтверждением этой модели служит также наблюдаемое обилие гелия, превышающее повсеместно 22% по массе, а также обнаруженное в межзвездном газе неожиданно высокое обилие дейтерия, происхождение которого можно связать лишь с ядерными реакциями синтеза легких элементов в горячей Вселенной.

Зная современную температуру реликтового излучения, можно провести экстраполяцию в прошлое, используя хорошо известные и проверенные законы механики, статистической, атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц. (Фундаментальным открытием самых последних лет, конца ХХ в. является обнаружение пространственной анизотропии реликтового излучения, фона Вселенной. Это расширяет возможности релятивистской космологии, делает несущественным влияние различных мешающих познанию начальных этапов Вселенной факторов - рассеяние электромагнитных волн на свободных электронах, на холодном молекулярном газе, поглощение пылью и др.)

Экстремальные условия первых секунд жизни Вселенной сегодня можно изучать экспериментально. На современных ускорителях элементарных частиц удается воспроизводить физические условия, существовавшие в то время, когда возраст Вселенной составлял 10 n с, где n = - 1 2 , когда температура достигала 10 n К, где n = 1 6 , а вся наблюдаемая сегодня Вселенная была "сжата" до размеров Солнечной системы. За этими границами возможна только теоретическая экстраполяция известных нам физических законов. В целом она не вызывает сомнений вплоть до того момента, когда начинают проявляться квантовые свойства гравитации.

Но с некоторого уровня вообще возникает вопрос о возможности применения для описания эволюции Вселенной современных физических теорий. Вблизи сингулярности решения классических уравнений неприменимы, поскольку там должны проявляться квантовые свойства гравитации, а свойства вещества в этом состоянии неизвестны. Существующие теории вещества и тяготения применимы к состояниям материи, плотность и температура которой меньше планковских (r = 1 0 n г/ куб. см , где n = 9 3 ; T ~ 1 0 n К, где n = 3 2 . Планковской плотности и температуре соответствует возраст Вселенной t ~ 1 0 n с, где n = - 4 3 . В эту эпоху физические условия были таковы, что для их описания требуется еще несозданная квантовая теория тяготения.