Общая теория относительности и космологическая модель Фридмана

Классические представления об эволюции Вселенной

Эволюция Вселенной

Лекция 11

Первое представление о Вселенной, сложившееся в XVIII в., было связано с механистической концепцией де­терминизма, в соответствии с которой все процессы в природе подчиняются жестким причинно-следственным закономерностям, исключающим появление нового качества. Движение в природе - это непрерывная сме­на состояний, которая происходила, проис­ходит и будет происходить вечно в соответ­ствии с законами классической механики. Ареной этих движений является бесконеч­ная Вселенная, свойства которой в среднем одинаковы во всех направлениях. Эти фун­даментальные атрибуты Вселенной - веч­ность, бесконечность, изотропность - как выяснилось впоследствии, тесно связаны с за­конами сохранения энергии, импульса и мо­мента импульса (теорема Нётер). Однако уже в XIX столетии стало ясно, что процессы во Вселенной развиваются не­обратимо и по сложным сценариям, которые никак не сводятся к обратимым движениям материальных точек по траекториям. В то время существовала единственная физи­ческая теория, описывающая необратимое поведение объектов природы - статистическая термоди­намика. Основные положения этой теории и были приме­нены У. Томсоном и Р. Клаузиусом к Вселенной как к замкнутой системе, в результате чего появилась концеп­ция «тепловой смерти» Вселенной. В соответствии с этим термодинамическим сценарием современное состояние Вселенной является результатом гигантской флуктуа­ции, спонтанным, самопроизвольным «прыжком» в упо­рядоченное состояние, после чего началась медленная ре­лаксация к хаотическому состоянию с максимальной эн­тропией, когда и вещество, и поле будут распределены в пространстве равномерно и прекратятся все процессы в природе. После этого возможны новые флуктуации, со­провождающиеся релаксацией к равновесию, и так до бес­конечности.

Однако еще Ньютон обращал внимание, что вещест­во не может быть распределено с постоянной средней плотностью в сколь угодно большом объеме. Вот как он сам писал по этому поводу: «Если бы все вещество наше­го Солнца и планет и все вещество Вселенной было рав­номерно рассеяно по всему небу и каждая частица обла­дала бы врожденным тяготением ко всему остальному и если бы все пространство, по которому рассеяно это ве­щество, было, тем не менее, конечным, то все вещество на наружной стороне этого пространства благодаря сво­ему тяготению стремилось бы ко всему веществу, нахо­дящемуся внутри пространства, и, как следствие, упало бы в середину полного пространства и образовало бы там одну большую сферическую массу. Однако если бы веще­ство было равномерно рассеяно по бесконечному про­странству, оно никогда не собралось бы в одну массу; часть его могла бы собраться в одну массу, а часть — в другую, так что образовалось бы бесконечное число больших масс, разбросанных на больших расстояниях друг от друга по всему этому бесконечному пространству. Так могли обра­зоваться Солнце и неподвижные звезды». Другими слова­ми, вследствие гравитационной неустойчивости веще­ство с неизбежностью должно либо сжиматься как целое, либо разбиться на отдельные сгустки. С гравитационной неустойчивостью вещества связаны и несколько знаме­нитых парадоксов, иллюстрирующих невозможность ста­ционарного равномерного распределения вещества в бес­конечном пространстве.

Например, гравитационный парадокс Зелигера-Неймана констатирует, что если бы материя была распреде­лена равномерно и изотропно в бесконечном пространст­ве, то один и тот же малый объем можно было бы рас­сматривать и как находящийся в «центре» Вселенной (тогда результирующая гравитационная сила, действую­щая на него, была бы равна нулю), и как смещенный из «центра» Вселенной (и тогда на него должна была бы дей­ствовать сила, тем большая, чем дальше от «центра» на­ходится рассматриваемый объем). Эта неоднозначность указывает на неверную посылку в условии парадокса: материя не может быть равномерно распределена в бес­конечном пространстве.

В другом парадоксе - парадоксе Ольберса - анализи­руется, какая должна быть светимость неба, если бы Все­ленная была бесконечной, а средняя плотность звезд по­стоянной.

Так как интенсивность света уменьшается обратно про­порционально квадрату расстояния от источника до на­блюдателя, а количество звезд увеличивается прямо про­порционально квадрату этого расстояния, то интенсив­ность света, пришедшего от звезд, находящихся на разных расстояниях от наблюдателя, должна быть одинаковой. Отсюда следует, что если Вселенная бесконечна, то небо должно казаться освещенным «ярче тысячи Солнц». А так как этого нет, то и посылка парадокса неверна: сред­няя плотность звезд не может быть постоянной в беско­нечной Вселенной. Рассмотренными парадоксами, конечно, не исчерпы­вается критика механистической и термодинамической картины мира. Можно констатировать, что к началу XX в. неудовлетворительность существующих космологических концепций стала очевидной.

В феврале 1917 г. А. Эйнштейн опубликовал статью, которая стала исходным пунктом на пути к современ­ным космологическим представлениям. В этой статье Эйнштейн применил к Вселенной только что выведен­ные им уравнения общей теории относительности. Са­мым удивительным оказалось то, что из написанного им «мирового уравнения» вытекала невозможность стацио­нарного, то есть не изменяющегося со временем, состоя­ния Вселенной. Получалось, что от малейшего «толч­ка» силы тяготения начнут либо неумолимо сжимать все вещество, находящееся во Вселенной, в точку, либо, на­оборот, «распираемый изнутри» мир станет неудержи­мо расширяться (здесь уместно вспомнить гравитаци­онный парадокс Зелигера—Неймана). Другими словами, радиус кривизны Вселенной и средняя плотность мате­рии в ней получались у Эйнштейна зависящими от вре­мени, хотя их постоянство было взято за основу при вы­воде «мирового уравнения». После некоторых колеба­ний Эйнштейн добавил к «мировому уравнению» еще одно слагаемое, так называемую космологическую по­стоянную, учитывающую гипотетическую антиграви­тацию. Это позволило Эйнштейну «закрепить» мир, не дать ему потерять устойчивость. С самого начала было ясно, что такая математическая «подпорка» носит явно искусственный характер.

Весной 1922 г. в главном физическом журнале того времени — «Zeitschrift fur Physik» была опубликована статья, полученная из Петрограда. Имя ав­тора - Александра Фридмана - физикам было неизвест­но. Его статья с названием «О кривизне пространства» касалась общей теории относительности. Точнее, ее са­мого грандиозного приложения - космологии. Именно в этой статье родилось «расширение Вселенной». До 1922 г. такое словосочетание выглядело бы полной нелепостью. О том, что расширение Вселенной началось миллиарды лет назад, астрофизике еще только предстояло узнать. Но «го­ризонт познания » раздвинулся именно в 1922 г. И раздви­нул его 34-летний профессор Санкт-Петербургского уни­верситета Александр Фридман.

Далеко не сразу эта модель была признана научным миром, а Эйнштейн, который одним из первых познако­мился с расчетами А. А. Фридмана, даже обвинил их ав­тора в элементарной ошибке. Однако ошибки не было, и тот же Эйнштейн в 1923 г. сам написал об этом: «Я счи­таю результаты Фридмана правильными и проливающи­ми новый свет».

Идеи Фридмана и Эйнштейна подхватили ученые в разных странах. Особого внимания заслуживают работы бельгийского астронома и одновременно священника аб­бата Ж. Леметра. Именно он впервые высказал пред­положение о конечности Вселенной, о Большом Взрыве, сопровождавшем возникновение Вселенной. Наконец, в 1929 г. американский астрофизик Э. Хаббл обнаружил «красное смещение» спектральных линий излучения, при­ходящего от удаленных галактик. Это смещение указыва­ло на то, что Вселенная расширяется, причем «разбегание» любых двух галактик происходит со скоростью v, пропор­циональной расстоянию Lмежду этими галактиками:

v = HL,(1.1)

где Н— постоянная Хаббла. Именно такое соотношение между скоростью и расстоянием вытекало из теории Фрид­мана.

Измеренное Хабблом значение постоянной Н: Н= 150(км/с)/10⁶ световых лет оказалось завышенным бо­лее чем на порядок, и эта ошибка сыграла важную роль в дальнейшем развитии естествознания XX в. Действитель­но, если принять, что расширение Вселенной происходит достаточно равномерно, то легко убедиться, что промежу­ток времени t = L/vот начала расширения равен обратной

постоянной Хаббла:

t=l/H.(1.2)

Но тогда возраст Вселенной tоказывается равным «все­го-навсего» 2 млрд. лет, это значение оказалось далее мень­ше, чем возраст Земли, который уже тогда был хорошо известен (4,5 млрд. лет). С учетом того, что погрешность определения постоянной Хаббла была достаточно боль­шой, из приведенных оценок был сделан вывод: все (!) кос­мические объекты — галактики, звезды, наша Солнечная система — образовались одновременно в момент начала расширения Вселенной. Но тогда в этот момент должно было появиться и все многообразие химических элемен­тов. А чтобы это было возможно, необходимо было пред­положить, что хотя бы в первые мгновения жизни Все­ленной, ее температура была очень высока. Только в этом случае имели место условия, необходимые для реализа­ции термоядерного синтеза, в результате которого могли образовываться ядра всех химических элементов — от лег­ких до самых тяжелых. Так появилась концепция горяче­го Большого взрыва (Г. Гамов, 1948).

После уточнения значения постоянной Хаббла Нона оказалась равной всего 15 (км/с) / 10⁶ световых лет, а это сразу увеличивало возраст Вселенной на порядок, то есть до 20 млрд. лет. Таким образом, открывалась другая воз­можность образования тяжелых химических элементов: эти элементы могли возникать в процессе эволюции звезд, о чем пойдет речь в следующей главе. Необходимость в высоких температурах на ранних стадиях эволюции Все­ленной отпала, и на некоторое время модель «горячего ро­ждения» Вселенной отошла в тень. Ее настоящим триум­фом стало одно из самых великих научных открытий XX в. — экспериментальное обнаружение в 1965 г. (А. Пензиас и Р. Вильсон) реликтового излучения, которое «пу­тешествует» в пространстве с тех времен, когда Вселен­ной было всего около 1 млн. лет. Это излучение могло воз­никнуть только в том случае, если молодая Вселенная была достаточно горячей и если свет в то время был самым ак­тивным участником физических процессов,

В настоящее время модель Большого взрыва продол­жает развиваться, уточняться, однако фундаментальные положения, лежащие в ее основе, остаются неизменными и общепризнанными научным сообществом.

Дата добавления: 2013-12-13