Космологія Космологічні моделі всесвіту Космологічна модель раннього всесвіту ера випромінювання

Жоден фізик не заперечує сьогодні спеціальну теорію відносності, і лише деякі заперечують основні тези загальної теорії відносності. Щоправда, загальна теорія відносності залишає багато важливих проблем невирішеними. Безперечно і те, що спостереження та експерименти, що підтримують цю теорію, нечисленні і не завжди переконливі. Але навіть якби не було взагалі жодних підтверджень, загальна теорія відносності все ж таки була б надзвичайно приваблива через великі спрощення, що її вводять у фізику.

Спрощень? Може здатися дивним використання цього слова стосовно теорії, де застосовується настільки розвинена математика, що хтось одного разу сказав, ніби в усьому світі не більше дванадцяти чоловік можуть зрозуміти її (між іншим, це число було явно применшене навіть у той час, коли така думка була загальновизнаною).

Математичний апарат теорії відносності справді складний, але це складність компенсується незвичайним спрощенням загальної картини. Наприклад, відомості тяжіння та інерції до того самого явища достатньо, щоб зробити загальну теорію відносності найбільш плідним напрямом при формуванні погляду на світ.

Ейнштейн висловив цю думку у 1921 р., коли читав лекцію про відносність у Прінстонському університеті: « Можливість пояснити чисельну рівність інерції і гравітації єдністю їхньої природи дає загальної теорії відносності, на моє переконання, такі переваги перед концепціями класичної механіки, що у порівнянні з цим усі труднощі, які тут зустрічаються, слід вважати невеликими…»

До того ж теорії відносності притаманне те, що математики люблять називати «витонченістю». Це свого роду артистичний твір. «Кожен любитель прекрасного, - заявив якось Лоренц, - повинен бажати, щоб вона виявилася правильною».

У цьому розділі твердо встановлені аспекти теорії відносності будуть залишені осторонь, і читач порине в область запеклих суперечок, область, де точки зору є не більш ніж припущеннями, які повинні бути прийняті або відкинуті на основі наукових доказів.

Що являє собою Всесвіт загалом? Ми знаємо, що Земля – це третя від Сонця планета в системі з дев'яти планет і що Сонце є однією із приблизно ста мільярдів зірок, що становлять нашу Галактику. Ми знаємо, що в тій галузі простору, яку можна прозондувати найпотужнішими телескопами, розкидані інші галактики, кількість яких також має обчислюватися мільярдами. Чи продовжується це до нескінченності?

Чи нескінченна кількість галактик? Чи простір все-таки має кінцеві розміри? (Можливо, нам слід говорити «наш простір», оскільки якщо наш простір обмежений, то хто може сказати, що не існує інших обмежених просторів?)

Астрономи докладають усіх зусиль, щоб відповісти на ці запитання. Вони конструюють звані моделі Всесвіту - уявні картини світу, якщо його як єдине ціле. На початку дев'ятнадцятого століття багато астрономів припускали, що Всесвіт безмежний і містить нескінченну кількість сонців. Простір вважався евклідовим. Прямі зливи йшли в безкінечність у всіх напрямках. Якби космічний корабель відправився в дорогу в будь-якому напрямку і рухався по прямій лінії, його подорож тривала б нескінченно довго, причому він ніколи не досяг би кордону. Ця думка перегукується з древнім грекам. Вони любили говорити, що, якщо воїн кидатиме своє спис усе далі і далі, у простір, він ніколи не зможе досягти кінця; якщо ж такий кінець уявити собі, то воїн зміг би стати там і кинути спис ще далі!

Проти цієї точки зору є одне важливе заперечення. Німецький астроном Генріх Олберс відзначив у 1826 р., що якщо число сонців нескінченно і ці сонця розподілені у просторі випадковим чином, то пряма лінія, проведена від Землі у будь-якому напрямку, мала б зрештою пройти крізь якусь зірку. Це означало б, що все нічне небо мало бути однією суцільною поверхнею, що випромінює сліпуче зоряне світло. Ми знаємо, що це не так. Слід вигадати якесь пояснення темряві нічного неба, щоб пояснити те, що тепер називають парадоксом Олберса. Більшість астрономів кінця дев'ятнадцятого і початку ХХ століття вважали, що кількість сонців обмежена. Наша галактика, стверджували вони, містить всі сонця. Що ж поза галактикою? Нічого! (І лише в середині двадцятих років цього століття з'явилися незаперечні докази, що існують мільйони галактик на величезних відстанях від нашої.) Інші астрономи припускали, що світло від далеких зірок може поглинатися скупченнями міжзоряного пилу.

Найбільш дотепне пояснення дав шведський математик В. К. Шарльє. Галактики, говорив він, групуються в асоціації, асоціації - у надасоціації, надасоціації - у над-надасоціації і так далі до нескінченності. На кожному ступені об'єднання відстані між угрупованнями зростають швидше, ніж розміри груп. Якщо це правильно, то чим далі продовжувати пряму лінію від нашої галактики, тим менша ймовірність того, що вона зустріне іншу галактику. Водночас ця ієрархія асоціацій нескінченна, тож як і раніше можна говорити, що Всесвіт містить нескінченну кількість зірок. У поясненні, даному Шарльє феномену Олберса, немає нічого помилкового, крім те, що є таке просте пояснення.

Перша модель Всесвіту, заснована на теорії відносності, була запропонована самим Ейнштейном у статті, опублікованій у 1917 р. Це була витончена та красива модель, хоча пізніше Ейнштейн змушений був відмовитися від неї. Вище пояснювалося, що гравітаційні поля - це викривлення структури простору - часу, вироблені присутністю великих мас матерії. Усередині кожної галактики, отже, є багато подібних скручувань та вигинів простору – часу. А як величезні області порожнього простору між галактиками? Одна точка зору такона: чим більша відстань від галактик, тим плоскішим (більш евклідовим) стає простір. Якби Всесвіт був вільний від будь-якої матерії, то простір був би зовсім плоским; деякі, однак, вважають, що в цьому випадку взагалі було б безглуздим казати, що воно має якусь структуру. І в тому і в іншому випадку Всесвіт простору - часу тягнеться необмежено у всіх напрямках.

Ейнштейн зробив одну привабливу контрпропозицію. Припустимо, сказав він, що кількість матерії у Всесвіті є досить великою, щоб забезпечити загальну позитивну кривизну. Простір тоді замкнувся б сам на себе у всіх напрямках. Цього не можна зрозуміти повністю, не заглиблюючись у чотиривимірну геометрію неевклідову, але сенс можна схопити досить легко за допомогою двомірної моделі. Уявімо собі плоску країну Плосковію, де живуть двомірні істоти. Вони вважають свою країну евклідовою площиною, яка простягається безмежно в усіх напрямках. Щоправда, сонця Плосковії є причиною появи цієї площині різних опуклостей, але це локальні опуклості, які впливають загальну гладкість. Існує, однак, інша можливість, яку можуть уявити астрономи цієї країни. Можливо, кожна локальна опуклість виробляє невелике викривлення всієї площини в такий спосіб, що сумарне дію всіх сонців призводитиме до деформування цієї площині щось схоже поверхню бугристій сфери. Подібна поверхня була б безмежною в тому сенсі, що ви могли б рухатися в будь-якому напрямку вічно і ніколи не досягти кордону. Воїн Плосковії не зміг би знайти таке місце, далі якого йому нікуди було б кинути свій плоский спис. Однак поверхня країни була б кінцевою. Мандрівник, який здійснює поїздку «прямою лінією» досить довго, зрештою прибув би назад туди ж, звідки почав свій шлях.

Математики кажуть, що подібна поверхня «замкнута». Вона, звісно, ​​не безмежна. Подібно до нескінченного евклідового простору, центр її скрізь, периферії не існує. Цю «замкнутість», топологічну властивість такої поверхні, мешканці цієї країни можуть легко перевірити. Один критерій вже згадувався: рух навколо сфери у всіх напрямках. Інший спосіб перевірки був би забарвленням цієї поверхні. Якби житель цієї країни, почавши з якогось місця, став малювати все більші й більші кола, він зрештою уклав би себе всередину плями на протилежному боці сфери. Однак, якщо ця сфера велика і жителі займають невелику частину її, вони не зможуть зробити подібні топологічні випробування.

Ейнштейн припустив, що наш простір є тривимірною поверхнею величезної гіперсфери (чотиривимірної сфери). Час у його моделі залишається невикривленим; це пряма координата, що йде назад у нескінченно далеке минуле і нескінченно, що простягається далеко вперед у майбутнє. Якщо цю модель уявляти як чотиривимірну просторово-часову структуру, вона більше нагадує гіперциліндр, ніж гіперсферу. З цієї причини таку модель зазвичай називають моделлю «циліндричного Всесвіту». У будь-який момент часу ми бачимо простір як свого роду тривимірний переріз гіперциліндра. Кожен поперечний переріз є поверхнею гіперсфери.

Наша Галактика займає лише незначну частину цієї поверхні, тому поки що немає можливості виконати топологічний експеримент, який довів би її замкнутість. Але важлива можливість довести замкнутість існує. Встановивши досить потужний телескоп у якомусь напрямку, можна сфокусувати його на певній галактиці, а потім, повернувши телескоп у протилежний бік, побачити зворотний бік тієї самої галактики. Якби існували космічні кораблі зі швидкістю, близькою до швидкості світла, то вони могли б описати коло по Всесвіту, рухаючись у будь-якому напрямку по найбільш прямій лінії, яка тільки можлива.

Всесвіт не можна «забарвити» в буквальному значенні цього слова, але можна зробити по суті те саме, складаючи сферичні карти Всесвіту все більших і більших розмірів. Якщо картограф буде робити це досить довго, він зможе виявити, що він опинився всередині тієї сфери, карту якої він становить. Ця сфера ставатиме все менше і менше в міру того, як він продовжує своє заняття, подібно до того кола, яке зменшується, коли житель Плосковії укладає себе всередину плями.

У деяких відносинах неевклідова модель Ейнштейна простіше за класичну модель, в якій простір не викривлено. Вона простіше в тому самому сенсі, в якому можна сказати, що коло простіше за пряму лінію. Пряма лінія простягається в нескінченність в обидві сторони, а нескінченність у математиці - дуже складна річ! Зручність кола в тому, що воно обмежене. Вона не має кінців, нікому не доводиться турбуватися про те, що станеться з цією лінією в безкінечності. В акуратному ейнштейнівському Всесвіті нікому не доводиться піклуватися про всі вільні кінці в нескінченності, про те, що в космології люблять називати «граничними умовами». У затишному Всесвіті Ейнштейна граничних проблем не існує, тому що він не має меж.

Інші космологічні моделі, що повністю узгоджуються із загальною теорією відносності, обговорювалися у двадцятих роках. Деякі з них мають навіть більш незвичайні властивості, ніж циліндричний Всесвіт Ейнштейна. Голландський астроном Біллем де Сіттер розробив модель замкнутого, обмеженого Всесвіту, в якому час викривляється так само, як і простір. Чим далі дивишся крізь простір де Сіттера, тим повільніше йде годинник. Якщо подивитися досить далеко, можна побачити області, де час зовсім зупинився, «як на чаювання у божевільного Шляпочкина, - пише Еддінгтон, - де завжди шість годин вечора».

"Не треба думати при цьому, що існує якась межа", - пояснює Бертран Рассел в "Азбуці теорії відносності". «Люди, які живуть у країні, яку наш спостерігач вважає країною лотофагів, живуть точно в такій самій метушні, як і сам спостерігач, і їм здається, що він сам застиг у вічній нерухомості. Насправді ви ніколи б не дізналися про цю країну лотофагів, оскільки знадобився б нескінченно великий час, щоб світло дійшло від неї до вас. Ви змогли б дізнатися про місця, розташовані неподалік неї, але вона сама залишалася б завжди за горизонтом». Звичайно, якби ви попрямували до цієї області на космічному кораблі, тримаючи її за допомогою телескопа під постійним наглядом, ви б побачили, що в міру вашого наближення до неї хід часу там повільно прискорюється. Коли ви туди прибудете, все рухатиметься зі звичайною швидкістю. Земля лотофагів тепер перебуватиме на краю нового горизонту.

Чи звертали ви увагу на те, що коли літак, пролітаючи низько над вами, різко злітає вгору, висота звуку від його моторів відразу трохи знижується? Це називається ефектом Допплера на ім'я австрійського фізика Християна Йоганна Допплера, який відкрив цей ефект у середині ХІХ століття. Він легко з'ясовний. Коли літак наближається, то звукові хвилі від його двигунів коливають вашу барабанну перетинку частіше, ніж це було б при нерухомому літаку. Це збільшує висоту звуку. Коли літак видаляється, поштовхи від звукових коливань, що відчуваються вашими вухами, менш часті. Звук стає нижчим.

Абсолютно те саме відбувається в тому випадку, коли джерело світла швидко рухається до вас або від вас. При цьому незмінною повинна залишатися швидкість світла (яка завжди постійна), але не його довжина хвилі. Якщо ви і джерело світла рухаєтеся назустріч один одному, то ефект Доплера вкорочує довжину світлової хвилі світла, зсуваючи колір у бік фіолетового кінця спектру. Якщо ви і джерело світла віддаляєтеся один від одного, то ефект Допплера дає подібне зміщення до червоного кінця спектру.

Георгій Гамов на одній зі своїх лекцій розповів історію (безперечно, анекдотичну) з ефектом Допплера, яка надто хороша, щоб не привести її тут. Це сталося, здається, з відомим американським фізиком з університету Джона Гопкінса Робертом Вудом, якого затримали в Балтіморі за їзду на червоне світло. Представивши перед суддею, Вуд на основі ефекту Допплера блискуче пояснив, що через велику швидкість його руху відбулося зрушення червоного світла до фіолетового кінця спектру, через що він сприйняв його як зелений. Суддя був схильний виправдати Вуда, але на суді випадково опинився один із студентів Вуда, якого Вуд незадовго до цього провалив. Він швидко вирахував швидкість, яка потрібна, щоб вогонь світлофора з червоного став зеленим. Суддя відмовився від первісного звинувачення та оштрафував Вуда за перевищення швидкості.

Допплер думав, що відкритий їм ефект пояснює видимий колір далеких зірок: червоні зірки повинні рухатися Землі, блакитні зірки - до Землі. Як виявилося, справа була не в цьому (ці кольори пояснювалися іншими причинами); у двадцятих роках ХХ століття було відкрито, що світло від віддалених галактик виявляє явне зміщення у червоний бік, яке не можна пояснити досить переконливо інакше, як припускаючи, що це галактики рухаються Землі. Більше того, це усунення зростає в середньому пропорційно відстані від галактики до Землі. Якщо до галактики А вдвічі далі, ніж до галактики Б, то червоне зміщення від А приблизно вдвічі більше від червоного зміщення від Б. За твердженням англійського астронома Фреда Хойла, червоне зміщення для асоціації галактик у сузір'ї Гідри свідчить про те, що ця асоціація віддаляється від Землі з величезною швидкістю, що дорівнює приблизно 61 000 км/сек.

Робилися різні спроби пояснити червоне усунення не ефектом Допплера, а будь-яким іншим способом. За теорією «втоми світла» що довше світло перебуває у шляху, то менше частота його коливань. (Це чудовий приклад гіпотези ad hoc, тобто гіпотези, пов'язаної тільки з цим приватним явищем, оскільки інших свідчень на її користь немає.) Інше пояснення полягає в тому, що проходження світла крізь космічний пил призводить до появи усунення. У моделі де Сіттера це усунення чітко випливає з викривлення часу.

Але найпростіше пояснення, яке найкраще узгоджується з іншими відомими фактами, полягає в тому, що червоне усунення справді свідчить про реальний рух галактик. Виходячи з цього припущення, незабаром була розвинена нова серія моделей «Всесвіту, що розширюється».

Однак це розширення не означає, що розширюються самі галактики або що (як тепер вважають) збільшуються відстані між галактиками в асоціаціях галактик. Очевидно, це розширення тягне у себе збільшення відстаней між асоціаціями. Уявіть собі гігантський ком тесту, в який вкраплено кілька сотень родзинок. Кожна родзинка є асоціацією галактик. Якщо це тісто садять у піч, воно розширюється рівномірно в усіх напрямках, але розміри родзинок залишаються колишніми. Збільшується відстань між родзинками. Жодна із родзинок не може бути названа центром розширення. З точки зору будь-якої окремої родзинки всі інші родзинки здаються такими, що віддаляються від неї.

Чим більша відстань до родзинок, тим більша швидкість її видалення.

Модель Всесвіту Ейнштейна статична. Це тим, що він розвинув цю модель доти, як астрономи виявили розширення Всесвіту. Щоб запобігти стягуванню свого Всесвіту гравітаційними силами та його загибелі, Ейнштейн змушений був у своїй моделі припустити, що існує ще одна сила (він ввів її в модель за допомогою так званої «космологічної постійної»), роль якої полягає у відштовхуванні та утриманні зірок на деякому відстані один від одного.

Виконані пізніше обчислення показали, що модель Ейнштейна нестійка, подібно до монети, що стоїть на ребрі. Найменший поштовх змусить її впасти або на лицьову, або на зворотний бік, причому перше відповідає Всесвіту, що розширюється, друге - стискається. Відкриття червоного усунення показало, що Всесвіт у разі не стискується; космологи звернулися до моделей Всесвіту, що розширюється.

Конструювалися всілякі моделі Всесвіту, що розширюється. Радянський вчений Олександр Фрідман та бельгійський абат Жорж Леметр розробили дві найвідоміші моделі. У деяких із цих моделей простір передбачається замкнутим (позитивна кривизна), в інших – незамкненим (негативна кривизна), у третіх питання про замкнутість простору залишається відкритим.

Одна з моделей була запропонована Еддінгтоном, який описав її в захоплюючій книзі «Всесвіт, що розширюється». Його модель по суті дуже схожа на модель Ейнштейна, вона замкнута, подібно до величезної чотиривимірної кулі, і рівномірно розширюється по всіх своїх трьох просторових вимірах. В даний час, однак, астрономи не мають впевненості в тому, що простір замкнутий на себе. Очевидно, щільність матерії у просторі недостатня, щоб призвести до позитивної кривизні. Астрономи віддають перевагу незамкнутому або нескінченному Всесвіту із загальною негативною кривизною, що нагадує поверхню сідла.

Читач не повинен думати, що якщо поверхня сфери має позитивну кривизну, то зсередини ця поверхня матиме негативну кривизну. Кривизна сферичної поверхні позитивна незалежно від того, з якого боку на неї дивитися – зовні чи зсередини. Негативна кривизна поверхні сідла викликана тим, що у будь-якій своїй точці ця поверхня викривлена ​​по-різному. Вона увігнута, якщо ви проводите по ній рукою від задньої частини до передньої, і випукла, якщо ви ведете руку від краю до іншого. Одна кривизна виражається позитивним числом, друга - негативним. Щоб отримати кривизну цієї поверхні у цій точці, ці два числа треба перемножити. Якщо у всіх точках це число негативне, як має бути, коли поверхня у будь-якій точці викривляється по-різному, то кажуть, що ця поверхня має негативну кривизну. Поверхня, що оточує дірку в торі (бублік) - інший відомий приклад поверхні негативної кривизни. Звісно, ​​такі поверхні є лише грубими моделями тривимірного простору негативної кривизни.

Можливо, з появою потужніших телескопів вдасться вирішити питання, яка кривизна Всесвіту - позитивна, негативна чи дорівнює нулю. Телескоп дозволяє бачити галактики лише певному сферичному обсязі. Якщо галактики розподілені випадково і якщо простір евклідово (нульової кривизни), число галактик усередині подібної сфери має бути завжди пропорційно кубу радіусу цієї сфери. Іншими словами, якщо побудувати телескоп, яким можна заглянути вдвічі далі, ніж будь-яким телескопом до цього, то кількість видимих ​​галактик має збільшитися з nдо 8n. Якщо цей стрибок виявиться меншим, це означатиме, що кривизна Всесвіту позитивна, якщо більше - негативна.

Можна подумати, що має бути навпаки, але розглянемо випадок двомірних поверхонь із позитивною та негативною кривизною. Припустимо, що з плоского листа гуми вирізане коло.

На нього наклеєні родзинки на відстанях у півсантиметра одна від одної. Для того щоб надати цій гумі форму сферичної поверхні, її необхідно стиснути, і багато родзинок зблизиться. Іншими словами, якщо на сферичній поверхні родзинки повинні залишатися на відстані півсантиметра одна від одної, то знадобиться менше родзинок. Якщо гуму накласти на поверхню сідла, то родзинки розсунуться на великі відстані, тобто щоб на поверхні сідла зберегти відстані між родзинками в півсантиметра, потрібно більше родзинок. Мораль, що випливає з усього цього, в жартівливій формі може бути виражена так: коли ви купуєте пляшку пива, обов'язково скажіть продавцю, що ви хочете пляшку, що містить простір, викривлений негативно, а не позитивно?

У моделях Всесвіту, що розширюється, не потрібна космологічна постійна Ейнштейна, що призводить до гіпотетичного розштовхування зірок.

(Пізніше Ейнштейн вважав концепцію космологічної постійної найбільшою помилкою, зробленою ним колись.) З появою цих моделей відразу ж прояснилося питання з парадоксом Олберса про яскравість нічного неба. Статична модель Ейнштейна мало допомогла щодо цього. Щоправда, вона містить лише кінцеву кількість сонців, але через замкнутість простору в моделі світло від цих сонців змушене вічно обходити Всесвіт, згинаючи свою траєкторію відповідно до місцевих викривлень простору – часу. В результаті нічне небо освітлене так само яскраво, як і у разі нескінченної кількості сонців, якщо не припустити, що Всесвіт настільки молодий, що світло змогло зробити лише обмежену кількість кільцевих витків.

Поняття Всесвіту, що розширюється, дуже просто усуває цей парадокс. Якщо далекі галактики віддаляються від Землі зі швидкостями, пропорційними відстаням до них, повна кількість світла, що досягає Землю, має зменшуватися. Якщо якась галактика перебуває досить далеко, її швидкість може перевищити світлову, тоді світло від неї взагалі ніколи не досягне нас. Зараз багато астрономів всерйоз вважають, що якби Всесвіт не був таким, що розширюється, то не було б буквально ніякої різниці між ніччю і днем.

Той факт, що швидкість далеких галактик щодо Землі може перевищувати швидкість світла, є, здавалося б, порушенням того становища, що жодне матеріальне тіло не може рухатися швидше за світло. Але, як ми бачили в гол. 4, це положення має чинність лише в умовах, які відповідають вимогам спеціальної теорії відносності. У загальній теорії відносності його слід перефразувати так: ніякі сигнали не можуть бути передані швидше за світло. Але все ще залишається спірним таке важливе питання: чи можуть насправді далекі галактики подолати світловий бар'єр і, ставши невидимими, назавжди зникнути з поля зору людини, навіть якщо вона матиме найпотужніші телескопи, які можна собі уявити. Деякі фахівці вважають, що швидкість світла дійсно є межею і що найдальші галактики просто будуть робитися тьмянішими, не стаючи ніколи повністю невидимими (за тієї умови, звичайно, що людина матиме досить чутливі прилади для їх спостереження).

Старі галактики, як хтось одного разу помітив, ніколи не вмирають. Вони просто поступово зникають. Важливо, однак, зрозуміти, що жодна галактика не зникає в тому сенсі, що зникає її матерія з Всесвіту. Вона просто досягає такої швидкості, що стає неможливим або майже неможливим виявити її у земні телескопи. Зникла галактика продовжує бути видимою з усіх галактик, що знаходяться ближче до неї. Для кожної галактики існує такий «оптичний обрій», сферичний кордон, за який її телескопи не можуть проникнути. Ці сферичні обрії для будь-яких двох галактик не збігаються. Астрономи підрахували, що точка, після якої галактики почнуть зникати з нашого поля зору, знаходиться приблизно вдвічі далі, ніж область досяжності будь-якого сучасного оптичного телескопа. Якщо це припущення правильно, то зараз видно приблизно одну восьму частину всіх галактик, які колись можна буде спостерігати.

Якщо Всесвіт розширюється (неважливо, чи є простір плоским, незамкненим або замкнутим), виникає таке каверзне питання. На що був схожий Всесвіт раніше? Існують два різні способи відповісти на це питання, дві сучасні моделі Всесвіту. Обидві моделі розглянуті у наступному розділі.

Примітки:

Персонаж книги Льюїса Кзррола"Аліса в країні чудес". - Прим. перев..

Країна достатку та ледарства, див. «Одіссею». - Прим. перев..

Моделі стаціонарного Всесвіту.Унікальність Всесвіту не дозволяє провести експериментальну перевірку гіпотез, що висуваються, і підняти їх до рівня теорій, тому еволюція Всесвіту може розглядатися тільки в рамках моделей.

Після створення класичної механіки наукова картина світу ґрунтувалася на ньютонівських уявленнях про простір, час і гравітацію та описувала незмінну в часі, тобто. стаціонарний, нескінченний Всесвіт, створений Творцем.

У XX ст. з'явилися нові теоретичні основи створення нових космологічних моделей.

Насамперед слід згадати космологічний постулат, згідно з яким фізичні закони, що встановлюються в обмеженій частині Всесвіту, справедливі і для всього Всесвіту. Крім того, вважається аксіомою однорідність та ізотропність великомасштабного розподілу речовини у Всесвіті. У цьому модель еволюції має відповідати так званому антропному принципу, тобто. передбачати можливість появи певному етапі еволюції спостерігача (розумної людини).

Оскільки саме тяжіння визначає взаємодію мас і великих відстанях, теоретичним ядром космології ХХ в. стала релятивістська теорія гравітації та простору-часу – загальна теорія відносності. Відповідно до цієї теорії розподіл і рух матерії визначають геометричні властивості простору-часу й те водночас самі залежить від них. Гравітаційне поле проявляється як «викривлення» простору-часу. У першій космологічній моделі Ейнштейна, створеної на основі загальної теорії відносності в 1916 р., Всесвіт також стаціонарний. Вона безмежна, але замкнута і має кінцеві розміри. Простір замикається сам на себе.

Фрідманівські моделі нестаціонарного Всесвіту.Ейнштейнівська модель стаціонарного Всесвіту була спростована у роботах російського вченого А.А. Фрідмана (1888 – 1925) , який у 1922 р. показав, що викривлений простір може бути стаціонарним: воно має або розширюватися, або стискатися. Можливі три різні моделі зміни радіусу кривизни Всесвіту, що залежать від середньої щільності речовини в ній, причому у двох з них Всесвіт нескінченно розширюється, а в третій – радіус кривизни періодично змінюється (Всесвіт пульсує).

Хоча відкриття Е. Хабблом закону залежності швидкості видалення галактик від відстані до них підтвердило розширення Всесвіту, в даний час порівняння експериментально оціненої щільності речовини з критичним значенням даного параметра, що визначає перехід від розширення до пульсації, не дозволяє однозначно вибрати сценарій подальшої еволюції. Ці дві величини виявилися близькими, а експериментальні дані - недостатньо надійні.

Розширення Всесвіту нині є обґрунтованим і загальновизнаним фактом, що дозволяє оцінити вік Всесвіту. Відповідно до найпоширеніших оцінок він становить 10 18 с (18 млрд років). Отже, сучасні моделі припускають «початок» Всесвіту. Як почалася її еволюція?

Модель гарячого Всесвіту.В основі сучасних уявлень про початкові стадії еволюції Всесвіту лежить модель «Гарячого Всесвіту», або «Великого Вибуху», основи якої були закладені в 40-х роках XX ст. Російським вченим, які працювали в США, Г.А. Гаммовим (1904 - 1968). У найпростішому варіанті даної моделі видається, що Всесвіт виник спонтанно в результаті вибуху з надщільного та надгарячого стану з нескінченною кривизною простору (стану сингулярності). "Гарячість" початкового сингулярного стану характеризується переважанням у ньому електромагнітного випромінювання над речовиною. Це підтверджується експериментально виявленим у 1965 році американськими астрофізиками Пензіасом (р. 1933) та Вільсоном (р. 1936) ізотропним електромагнітним «реліктовим випромінюванням». Сучасні фізичні теорії дозволяють описати еволюцію матерії починаючи з часу t= 10 -43 с. Найпочатковіші моменти еволюції Всесвіту поки що знаходяться за фізичним бар'єром. Тільки починаючи з моменту t= 10 -10 c після Великого Вибуху наші уявлення про стан речовини в ранньому Всесвіті і процесах, що відбуваються в ній, можуть бути перевірені експериментально і описані теоретично.

У міру розширення Всесвіту густина речовини в ній зменшується і температура падає. У цьому відбуваються процеси якісних перетворень частинок речовини. У момент 10 -10 з речовина складається з вільних кварків, лептонів та фотонів (див. розділ III). У міру остигання Всесвіту відбувається утворення адронів, потім з'являються ядра легких елементів - ізотопів водню, гелію, літію. Синтез ядер гелію припиняється у момент t= 3 хв. Тільки через сотні тисяч років ядра з'єднуються з електронами, і виникають атоми водню та гелію, і з цього моменту речовина перестає взаємодіяти з електромагнітним випромінюванням. «Реліктове» випромінювання виникло саме в цей період. Коли розміри Всесвіту були приблизно в 100 разів меншими, ніж у справжню епоху, з неоднорідностей газоподібного водню та гелію виникли газові згустки, які фрагментувалися та призвели до виникнення зірок та галактик.

Питання про винятковість Всесвіту як об'єкта космології залишається відкритим. Поряд із поширеною точкою зору, що весь Всесвіт – це наша Метагалактика, існує протилежна думка, що Всесвіт може складатися з безлічі метагалактик, а уявлення про унікальність Всесвіту є історично відносним, визначальним рівнем науки та практики.

У 1917 р. А. Ейнштейн побудував модель Всесвіту. У цій моделі для подолання гравітаційної нестійкості Всесвіту використовувалася космологічна сила відштовхування, що отримала назву лямбда-параметра. Надалі Ейнштейн скаже, що це була найгрубіша його помилка, що суперечить духу створеної ним теорії відносності: сила тяжіння в цій теорії ототожнюється з кривизною простору-часу. Всесвіт Ейнштейна мав форму гіперциліндра, протяжність якого визначалася загальною кількістю та складом форм прояву енергії (речовина, поле, випромінювання, вакуум) у цьому циліндрі. Час у цій моделі спрямований від нескінченного минулого до нескінченного майбутнього. Таким чином, тут величина енергії, маси Всесвіту (речовина, поле, випромінювання, вакуум) пропорційно пов'язана з просторовою її структурою: обмежена за своєю формою, але нескінченного радіуса і нескінченна в часі.

Дослідники, які почали аналізувати цю модель, звернули увагу

на її надзвичайну нестійкість, подібну до монети, що стоїть на ребрі, одна сторона якої відповідає Всесвіту, що розширюється, інша - замкненому: при обліку одних фізичних параметрів Всесвіту, за моделлю Ейнштейна, він виходить вічно розширюється, при обліку інших - замкнутим. Наприклад, голландський астроном В. де Сіттер, припустивши, що час викривлений так само, як і простір у моделі Ейнштейна, отримав модель Всесвіту, в якій у дуже віддалених об'єктах час повністю зупиняється.

А. Фрідман,фізічі математик Петроградського університету, опублікувавв1922 г. статтю« Прокривизніпростору».Унею наводилися результати досліджень загальної теорії відносності, які виключали математичної можливості існування трьох моделей Всесвіту: модель Всесвіту в евклідовом просторі ( До = 0); модель з коефіцієнтом, рівним ( До> 0) і модель у просторі Лобачевського – Больяй ( До< 0).

У своїх обчисленнях А. Фрідман виходив із положення про те, що величина і

радіус Всесвіту пропорційні величині енергії, речовини та іншим

форм її прояву у Всесвіті в цілому. Математичні висновки А.Фрідмана заперечували необхідність запровадження космологічної сили відштовхування, оскільки із загальної теорії відносності не виключалася можливість існування моделі Всесвіту, в якій процесу її розширення відповідає процес стиснення, пов'язаний із зростанням щільності, тиску складової Всесвіту енергії-матерії (речовина, поле, випромінювання) , Вакуум). Висновки А. Фрідмана викликали сумнів у багатьох вчених та в самого А. Ейнштейна. Хоча вже 1908 р. математик Р. Мінковський, давши геометричну інтерпретацію спеціальної теорії відносності, отримав модель Всесвіту, у якій коефіцієнт кривизни дорівнює нулю ( До = 0), тобто модель Всесвіту в евклідовому просторі.

М. Лобачевський, засновник неевклідової геометрії, проводив вимір кутів трикутника між віддаленими від Землі зірками і виявив, що сума кутів трикутника дорівнює 180 °, тобто простір у космосі є евклідовим. Спостережувана евклідовість простору Всесвіту є однією із загадок сучасної космології. В даний час вважається, що щільність речовини

у Всесвіті становить 0,1-0,2 частини від критичної густини. Критична щільність приблизно дорівнює 2 · 10 -29 г/см3. Досягнувши критичної щільності, Всесвіт почне стискатися.

Модель А. Фрідмана з «До > 0» - це Всесвіт, що розширюється, з вихідного

її стану, якого вона має знову повернутися. У цій моделі з'явилося поняття віку Всесвіту: наявність попереднього стану щодо спостерігається у певний момент.

Припустивши, що маса всього Всесвіту дорівнює 5 · 10 2 1 мас Сонця, А.

Фрідман розрахував, що Всесвіт знаходився в стислому стані.

за моделлю « K > 0» приблизно 10-12 млрд років тому. Після цього вона стала розширюватися, але це розширення не буде нескінченним і через певний час відбудеться знову стиснення Всесвіту. А. Фрідман відмовлявся обговорювати фізику початкового, стисненого стану Всесвіту, оскільки закони мікросвіту на той час були зрозумілі. Математичні висновки А. Фрідмана багаторазово перевірялися і перевірялися ще раз не тільки А. Ейнштейном, але й іншими вченими. Через певний час А. Ейнштейн у відповіді на лист А. Фрідмана визнав правильність цих рішень і назвав А. Фрідмана «першим ученим, який став на шлях побудови релятивістських моделей Всесвіту». На жаль, Фрідман рано помер. У його особі наука втратила талановитого вченого.

Як зазначалося вище, ні А. Фрідману, ні А. Ейнштейну були відомі дані факт «розбігання» галактик, отримані американським астрономом У. Слайфером (1875-1969) в 1912 р. До 1925 р. він виміряв швидкість руху кілька десятків галактик. Тому космологічні ідеї А. Фрідмана обговорювалися переважно у теоретичному плані. Нпровжев 1929

м.американськийастрономЕ. Хаббл (1889-1953) з допомогоютелескопа з приладами спектраного аналізувідкрил тадо називаєемійефект

«червоногоусунення».Світло, що йде від галактик, які він спостерігав,

зміщувався в червону частину спектра кольору видимого світла. Це говорило про те,

що галактики, що спостерігаються, видаляються, «розбігаються» від спостерігача.

Ефект «червоного усунення» - окремий випадок ефекту Доплера. Австрійський вчений К. Доплер (1803-1853) відкрив його в 1824 р. При видаленні джерела хвиль щодо приладу, що фіксує хвилі, довжина хвилі збільшується і стає коротшою при наближенні до нерухомого приймача хвилі. У разі світлових хвиль довгі хвилі світла відповідають червоному сегменту світлового спектру (червоний – фіолетовий), короткі – фіолетовому сегменту. Ефект «червоного усунення» був використаний Е. Хабблом для вимірювання відстаней до галактик та швидкості їх видалення: якщо «червоне усунення» від галактики А, наприклад, більше в два рази, чим від галактики В, та відстань до галактики Аудвічі більше, ніж до галактики Ст.

Е. Хаббл встановив, що всі галактики, що спостерігаються, видаляються по всіх напрямках небесної сфери зі швидкістю, пропорційною відстані до них: Vr = Нr, де r - відстань до спостережуваної галактики, що вимірюється в парсеках (1 пс приблизно дорівнює 3,1 10 1 6 м), Vr - швидкість руху галактики, що спостерігається, Η - постійна Хаббла, або коефіцієнт пропорційності між швидкістю руху галактики та відстанню до неї

від спостерігача. Небесна сфера – це поняття, яке використовується для опису об'єктів зоряного неба неозброєним оком. Давні вважали небесну сферу реальністю, внутрішній боці якої закріплені зірки. Обчислюючи значення цієї величини, яку потім стали називати постійною Хаббла, Еге. Хаббл дійшов висновку у тому, що вона дорівнює приблизно 500 км/(з Мпс). Інакше кажучи, відрізок простору один мільйон парсек збільшується за секунду на 500 км.

Формула Vr= Нr дозволяє розглядати як видалення галактик, і зворотну ситуацію, рух до якогось вихідному становищу, початку «розбігання» галактик у часі. Величина, зворотна постійної Хаббла, має розмірність часу: t(Час) = r/Vr = 1/H. При значенні Н, про який говорилося вище, Е. Хаббл отримав час початку «розбігання» галактик, що дорівнює 3 млрд років, що викликало в нього сумнів щодо правильності обчисленої їм величини. Користуючись ефектом «червоного усунення», Еге. Хаббл досяг найвіддаленіших галактик, відомих тоді: що далі галактика, тим менше сприймається нами її яскравість. Це дозволило Е. Хабблу говорити, що формула Vr = Hr висловлює спостерігається факт розширення Всесвіту, про який йшлося в моделі А. Фрідмана. Астрономічні дослідження Е. Хаббла стали розглядатися рядом вчених як досвідчені підтвердження правоти моделі А. Фрідмана про нестаціонарний, Всесвіт, що розширюється.

Вже у 30-ті роки деякі вчені висловлювали сумніви щодо даних

е. Хаббла. Наприклад, П. Дірак висловив гіпотезу про природне червоніння квантів світла в силу їхньої квантової природи, взаємодії з електромагнітними полями космічного простору. Інші вказували на теоретичну неспроможність постійної Хаббла: чому величина постійної Хаббла має бути в кожен момент часу однаковим в еволюції Всесвіту? Це стійке сталість постійної Хаббла передбачає, що відомі нам закони Всесвіту, які у Мегагалактиці, обов'язкові для всього Всесвіту загалом. Можливо, як кажуть критики постійної Хаббла, існують якісь інші закони, яким не відповідатиме постійна Хаббла.

Наприклад, кажуть вони, світло може «червоніти» за рахунок впливу на нього міжзоряного (МОЗ) та міжгалактичного (МГЗ) середовища, які можуть подовжувати довжину хвилі його руху до спостерігача. Іншим питанням, що викликало дискусії у зв'язку з дослідженнями Е. Хаббла, було питання про припущення можливості рухів галактик зі швидкістю, що перевищує швидкість світла. Якщо це можливо, то ці галактики можуть зникнути з нашого спостереження, оскільки із загальної теорії відносності ніякі сигнали не можуть бути передані швидше світла. Проте більшість учених вважають, що спостереження Е. Хаббла встановили факт розширення Всесвіту.

Факт розширення галактик значить розширення всередині самих галактик, оскільки їх структурна визначеність забезпечується дією внутрішніх сил гравітації.

Спостереження Е. Хаббла сприяли подальшому обговоренню моделей А. Фрідмана. БельгійськачернецьіастрономЖ.Леметр(впервиттяполовині минулого)століттязвернуввслухайсяанянаследмеобставина:розбігання галактикозначаєрозширенняпростору,отже,вминулому

булозменшенняобсягуіплстосункивества.Початкову щільність речовини Леметр назвав протоатомом із щільністю 1093 г/см 3 , з якого Богом був створений світ. З цієї моделі випливає, що поняття щільності речовини може бути використане для визначення межі застосування понять простору та часу. При щільності 1093 г/см 3 поняття часу і простору втрачають свій звичайний фізичний зміст. Ця модель привернула увагу до фізичного стану з надщільними та надгарячими фізичними параметрами. Крім цього, були запропоновані моделі пульсуючоїВсесвіту:Всесвіт розширюється і стискається, але ніколи не доходить до крайніх меж. Моделі пульсуючого Всесвіту надають великого значення виміру щільності енергії-речовини у Всесвіті. При досягненні критичної межі густини Всесвіт розширюється або стискається. В результаті з'явився термін «сингулярне»(Лат. singularus - окремий, одиничний) стан, у якому щільність і температура набувають нескінченного значення. Цей напрямок досліджень зіткнувся з проблемою «прихованої маси» Всесвіту. Справа в тому, що маса Всесвіту, що спостерігається, не збігається з її масою, обчисленою на основі теоретичних моделей.

Модель«Великоговибуху».Наш співвітчизник Г. Гамов (1904-1968)

працював у Петроградському університеті і був знайомий із космологічними ідеями

А. Фрідмана. У 1934 р. він був посланий у відрядження до США, де залишився до кінця свого життя. Під впливом космологічних ідей А. Фрідмана Г. Гамов зацікавився двома проблемами:

1) відносною поширеністю хімічних елементів у Всесвіті та 2) їх походженням. До кінця першої половини ХХ ст. велася жвава дискусія з цих проблем: де можуть утворюватися важкі хімічні елементи, якщо водень (1 1 Н) та гелій (4 Н) є найпоширенішими хімічними елементами у Всесвіті. Г. Гамов припустив, що хімічні елементи ведуть свою історію від початку розширення Всесвіту.

Модельр.Гамованазуєтьсямоделлю«Великоговибуху»,нпровонамає

ііншеназва:«А-Б-Г-теорія». У цій назві вказано початкові літери авторів статті (Альфер, Бете, Гамов), яка була опублікована в 1948 р. і містила модель «гарячого Всесвіту», але основна ідея цієї статті належала Г. Гамову.

Коротко про сутність цієї моделі:

1. «Вихідний початок» Всесвіту, за моделлю Фрідмана, був представлений надщільним і надгарячим станом.

2. Цей стан виник у результаті попереднього стиснення всієї матеріальної, енергетичної складової Всесвіту.

3. Цьому стану відповідав надзвичайно малий обсяг.

4. Енергія-матерія, досягнувши певної межі щільності та температури в цьому стані, вибухнула, стався Великий вибух, який Гамов назвав

«Космологічний Великий вибух».

5. Йдеться про незвичайний вибух.

6. Великий вибух надав певної швидкості руху всім фрагментам вихідного фізичного стану до Великого вибуху.

7. Оскільки вихідний стан був надгарячим, то розширення має зберегти залишки цієї температури по всіх напрямках Всесвіту, що розширюється.

8. Величина цієї залишкової температури має бути приблизно однаковою у всіх точках Всесвіту.

Це явище було названо реліктовим (давнім), фоновим вилученням.

1953 р. Г. Гамов вирахував хвильову температуру реліктового випромінювання. У нього

вийшло 10 К. Реліктове випромінювання – це мікрохвильове електромагнітне випромінювання.

У 1964 р. американські фахівці А. Пензіас та Р. Вільсон випадково виявили реліктове випромінювання. Встановивши антени нового радіотелескопа, вони могли позбутися перешкод у діапазоні 7,8 див. Ці перешкоди, шум йшли з космосу, однакові за величиною і за напрямами. Вимірювання цього фону випромінювання дали температуру менше 10 К.

Таким чином, гіпотеза Г. Гамова про реліктове, фонове випромінювання підтвердилася. У своїх роботах про температуру фонового випромінювання Г. Гамов використовував формулу А. Фрідмана, що виражає залежність зміни густини випромінювання у часі. У параболічній ( До> 0) моделі Всесвіту. Фрідман розглядав стан, коли випромінювання переважає над речовиною Всесвіту, що необмежено розширюється.

Згідно з моделлю Гамова у розвитку Всесвіту існувало дві епохи: а) переважання випромінювання (фізичного поля) над речовиною;

б) переважання речовини над випромінюванням. У початковий період випромінювання переважало над речовиною, потім був час, коли їхнє відношення було рівним, і період, коли речовина стала переважати над випромінюванням. Гамов визначив кордон між цими епохами – 78 млн років.

Наприкінці ХХ ст. виміру мікроскопічних змін фонового випромінювання, яку назвали брижіью,дозволили ряду дослідників стверджувати, що ця брижі представляє зміну щільності речовиниіенергіїввнаслідок дії сил гравітації на ранніх стадіях розвиткуВсесвіту.

Модель «ІнфляціпронійВсесвіту».

Термін "інфляція" (лат. «inflation») трактується як здуття. Два дослідники А. Гут та П. Сейнхардт запропонували цю модель. У цій моделі еволюція Всесвіту супроводжується гігантським здуттям квантового вакууму: за 10 -30 с відбувається збільшення розмірів Всесвіту в 10-50 разів. Інфляція є адіабатичним процесом. Він пов'язаний з охолодженням та виникненням відмінності між слабкою, електромагнітною та сильною взаємодією. Аналогія роздування Всесвіту може бути, грубо кажучи, представлена ​​як раптова кристалізація переохолодженої рідини. Спочатку інфляційна фаза розглядалася як «друге народження» Всесвіту після Великого вибуху. Нині інфляційні моделі використовують поняття інфлатонпрогополя. Це гіпотетичне поле (від слова «інфляція»), в якому завдяки випадковим коливанням утворилася однорідна конфігурація цього поля розміром більше 10 -33 см. З неї відбулося розширення та розігрів Всесвіту, в якому ми живемо.

Опис подій у Всесвіті на основі моделі Інфляційного Всесвіту повністю збігається з описом на основі моделі Великого вибуху, починаючи з 10 -30 з розширення. Фаза роздування означає, що спостерігається Всесвіт становить лише частину Всесвіту. У підручнику Т. Я. Дубніщової «Концепції сучасного природознавства» пропонується наступний перебіг подій відповідно до моделі «Інфляційного Всесвіту»:

1) t - 10 – 4 5 с. До цього моменту після початку розширення Всесвіту її радіус становив приблизно 10 -50 см. Ця подія є незвичайною з погляду сучасної фізики. Передбачається, що передують події, що породжуються квантовими ефектами інфлатонного поля. Цей час менший за час «ери Планка» - 10 - 4 3 с. Але це не бентежить прихильників цієї моделі, які проводять обчислення з часом 10-50 с;

2) t - приблизно від 10 -43 до 10 -35 с - епоха "Великого об'єднання" або об'єднання всіх сил фізичної взаємодії;

3) t - приблизно від 10 - 3 5 до 10 -5 - швидка частина інфляційної фази,

коли діаметр Всесвіту збільшився у 10 5 0 разів. Йдеться про виникнення та утворення електронно-кваркового середовища;

4) t- приблизно від 10 -5 до 10 5 с відбувається спочатку утримання кварків в адронах, а потім утворення ядер майбутніх атомів, з яких у подальшому утворюється речовина.

З цієї моделі випливає, що через одну секунду від початку розширення Всесвіту йде процес виникнення речовини, роз'єднання його з фотонами електромагнітної взаємодії та утворення протонадскопи та протогалактик. Розігрівання відбувається внаслідок виникнення частинок і античастинок, що взаємодіють між собою. Цей процес називається анігіляцією (лат. nihil - Ніщо або перетворення на ніщо). Автори моделі вважають, що анігіляція асиметрична у бік утворення звичайних частинок, з яких складається наш Всесвіт. Таким чином, основна ідея моделі «Інфляційного Всесвіту» – виключити з космології поняття

"Великого вибуху" як особливого, незвичайного, виняткового стану в еволюції Всесвіту. Однак у цій моделі з'являється не менш незвичайний стан. Цей стан донфігурації танфлатонне поле.Вік Всесвіту у цих моделях оцінюється у 10-15 млрд років.

«Інфляційна модель» і модель «Великого вибуху» дають пояснення неоднорідності Всесвіту, що спостерігається (щільності згущення речовини). Зокрема, вважається, що при роздмухуванні Всесвіту виникли космічні неоднорідності-тектури як зародки агрегатів речовини, які надалі розрослися до галактик та їх скупчень. Про це свідчить зафіксоване 1992р. відхилення температури реліктового випромінювання від середнього його значення 2,7 До приблизно на 0,00003 К. Обидві моделі говорять про гарячий Всесвіт, що розширюється, в середньому однорідної і ізотропної щодо реліктового випромінювання. В останньому випадку мається на увазі факт практично однакового значення реліктового випромінювання у всіх частинах Всесвіту, що спостерігається, по всіх напрямках від спостерігача.

Існують альтернативні моделям «Великого вибуху» та «Інфляційної

Всесвіту»: моделі «Стаціонарного Всесвіту», «Холодного Всесвіту» та

«Самосзгоджена космологія».

Модель«СтаціонарнийВсесвіту».Ця модель була розроблена в 1948 р. Вона ґрунтувалася на принципі «космологічної сталості» Всесвіту: не тільки у Всесвіті не повинно бути жодного виділеного місця, а й у часі не має бути виділено жодного моменту. Авторами цієї моделі є Г. Бонді, Т. Голдом та Ф. Хойл, останній – широко відомий автор популярних книг з проблем космології. В одній зі своїх робіт він писав:

«Кожна хмара, галактика, кожна зірка, кожен атом мали початок, але не Всесвіт цілком, Всесвіт є чимось більшим, ніж його частини, хоча цей висновок може здатися несподіваним». Ця модель передбачає наявність у Всесвіті внутрішнього джерела, резервуара енергії, який підтримує щільність її енергії-матерії на «постійному рівні, що перешкоджає стиску Всесвіту». Наприклад, Ф. Хойл стверджував, що якби в одному відрі простору за кожні 10 млн. років виникав один атом, то щільність енергії, речовини та випромінювання у Всесвіті загалом буде постійною. Ця модель не пояснює, як виникли атоми хімічних елементів, речовина тощо.

д. Відкриття реліктового, фонового випромінювання сильно підірвало теоретичні основи цієї моделі.

Модель« ХолоднийВсесвітй». Модель була запропонована у шістдесятих

роках минулого століття радянським астрофізиком Я. Зельдовичем. Порівняння

теоретичних значень щільності та температури випромінювання за моделлю

«Великого вибуху» з даними радіоастрономії дозволило Я. Зельдовичу висловити гіпотезу, згідно з якою вихідним фізичним станом Всесвіту був холодний протонно-електронний газ із домішкою нейтрино: на кожен протон припадає один електрон та одне нейтрино. Виявлення реліктового випромінювання, що підтверджує гіпотезу про вихідний гарячий стан в еволюції Всесвіту, призвело Зельдовича до відмови від власної моделі «Холодного Всесвіту». Однак ідея обчислення співвідношень між кількістю різного типу частинок та поширеністю хімічних елементів у Всесвіті виявилася плідною. Зокрема, було встановлено, що щільність енергії-матерії у Всесвіті збігається із щільністю реліктового випромінювання.

Модель«Всесвітватомі».Ця модель стверджує, що існує насправді не одна, а безліч Всесвіту. Модель «Всесвіт в атомі» ґрунтується на понятті замкнутого світу за А. Фрідманом. Замкнутий світ - область Всесвіту, в якій сили тяжіння між її складовими дорівнюють енергії їхньої загальної маси. У цьому випадку зовнішні розміри такого Всесвіту можуть бути мікроскопічними. З погляду зовнішнього спостерігача це буде мікроскопічний об'єкт, а з погляду спостерігача всередині цього Всесвіту все виглядає інакше: свої галактики, зірки тощо. Ці об'єкти отримали назву фРідмон.Академік А. А. Марков висловив гіпотезу про те, що фрідмонів може бути необмежену кількість і вони можуть бути повністю незамкнутими, тобто у них є вхід у їхній світ і вихід (зв'язок) з іншими світами. Виходить безліч Всесвітів, або, як назвав в одній зі своїх робіт член-кореспондент АН СРСР І. С. Шкловський, - Метавсесвіт.

Ідея про множинність Всесвітів висловлена ​​А. Гутом, одним із авторів інфляційної моделі Всесвіту. У Всесвіті, що роздується, можливе утворення «аневризмів» (термін з медицини, означає випинання стінок кровоносних судин) від материнського Всесвіту. Відповідно до цього автору цілком можливе створення Всесвіту. Для цього потрібно стиснути 10 кг речовини

до розміру меншого, ніж одна квадрильйонна частина елементарної частинки.

ПИТАННЯ ДЛЯ САМОПРОВІРКИ

1. Модель "Великого вибуху".

2. Астрономічні дослідження Еге. Хаббла та його роль розвитку

сучасної космології.

3. Реліктове, фонове випромінювання.

4. Модель «Інфляційної Вселенної».

Чи знаєте ви про те, що Всесвіт, який ми спостерігаємо, має досить певні межі? Ми звикли асоціювати Всесвіт із чимось нескінченним і незбагненним. Однак сучасна наука на питання про «нескінченність» Всесвіту пропонує зовсім іншу відповідь на таке «очевидне» питання.

Згідно з сучасними уявленнями, розмір Всесвіту, що спостерігається, становить приблизно 45,7 мільярдів світлових років (або 14,6 гігапарсек). Але що означають ці цифри?

Перше питання, яке спадає на думку звичайній людині – як Всесвіт взагалі не може бути нескінченним? Здавалося б, безперечним є те, що вмістилище всього сущого навколо нас не повинно мати меж. Якщо ці межі і існують, то що вони взагалі являють собою?

Припустимо, якийсь астронавт долетів до меж Всесвіту. Що він побачить перед собою? Твердий мур? Вогняний бар'єр? А що за нею – порожнеча? Інший Всесвіт? Але хіба порожнеча чи інший Всесвіт можуть означати, що ми на межі всесвіту? Адже це не означає, що там «нічого». Порожнеча та інший Всесвіт – це теж «щось». Адже Всесвіт – це те, що містить абсолютно все «щось».

Ми приходимо до абсолютної суперечності. Виходить, кордон Всесвіту має приховувати від нас щось, чого не повинно бути. Або кордон Всесвіту повинен відгороджувати «все» від «чогось», але це «щось» має бути також частиною «всього». Загалом повний абсурд. Тоді як вчені можуть заявляти про граничний розмір, масу і навіть вік нашого Всесвіту? Ці значення хоч і неймовірно великі, але все ж таки кінцеві. Наука сперечається із очевидним? Щоб розібратися з цим, давайте спершу простежимо, як люди прийшли до сучасного розуму Всесвіту.

Розширюючи межі

Людина з незапам'ятних часів цікавилася тим, що являє собою навколишній світ. Можна не наводити приклади про три кити та інші спроби древніх пояснити світобудову. Як правило, зрештою все зводилося до того, що основою всього сущого є земна твердь. Навіть у часи античності та середньовіччя, коли астрономи мали широкі знання в закономірностях руху планет по «нерухомій» небесній сфері, Земля залишалася центром Всесвіту.

Звичайно, ще в Стародавній Греції існували ті, хто вважав те, що Земля обертається навколо Сонця. Були ті, хто говорив про безліч світів та нескінченність Всесвіту. Але конструктивні обгрунтування цим теоріям виникли лише межі наукової революції.

У 16 столітті польський астроном Микола Коперник здійснив перший серйозний прорив у пізнанні Всесвіту. Він твердо довів, що Земля є лише однією із планет, що обертаються навколо Сонця. Така система значно спрощувала пояснення такого складного і заплутаного руху планет небесною сферою. У разі нерухомої Землі астрономам доводилося вигадувати всілякі хитромудрі теорії, що пояснюють таку поведінку планет. З іншого боку, якщо Землю прийняти рухомий, то пояснення настільки хитромудрим рухам приходить, само собою. Так, в астрономії зміцнилася нова парадигма під назвою «геліоцентризм».

Безліч Сонців

Однак навіть після цього астрономи продовжували обмежувати Всесвіт «сферою нерухомих зірок». Аж до 19 століття їм не вдавалося оцінити відстань до світил. Кілька століть астрономи безрезультатно намагалися виявити відхилення положення зірок щодо руху Землі орбітою (річні паралакси). Інструменти тих часів не дозволяли проводити такі точні виміри.

Нарешті, 1837 року російсько-німецький астроном Василь Струве виміряв паралакс. Це ознаменувало новий крок у розумінні масштабів космосу. Тепер вчені могли сміливо говорити про те, що зірки є далекими подобами Сонця. І наше світило відтепер не центр всього, а рівноправний «мешканець» безмежного зоряного скупчення.

Астрономи ще більше наблизилися до розуміння масштабів Всесвіту, адже відстані до зірок виявилися справді жахливими. Навіть розміри орбіт планет здавалися порівняно з цим чимось нікчемним. Далі треба було зрозуміти, яким чином зірки зосереджені у .

Безліч Чумацьких Шляхів

Відомий філософ Іммануїл Кант ще в 1755 передбачив основи сучасного розуміння великомасштабної структури Всесвіту. Він висунув гіпотезу про те, що Чумацький Шлях є величезним зоряним скупченням, що обертається. У свою чергу, багато туманностей, що спостерігаються, також є більш віддаленими «млечними шляхами» — галактиками. Незважаючи на це, аж до 20 століття астрономи дотримувалися того, що всі туманності є джерелами зіркоутворення та входять до складу Чумацького Шляху.

Ситуація змінилася, коли астрономи навчилися вимірювати відстані між галактиками з допомогою . Абсолютна світність зірок такого типу лежить у суворій залежності від періоду їхньої змінності. Порівнюючи їхню абсолютну світність з видимою, можна з високою точністю визначити відстань до них. Цей метод був розроблений на початку 20 століття Ейнаром Герцшрунгом та Харлоу Шелпі. Завдяки йому радянський астроном Ернст Епік у 1922 році визначив відстань до Андромеди, яка виявилася на порядок більшою за розмір Чумацького Шляху.

Едвін Хаббл продовжив починання Епіка. Вимірюючи яскравості цефеїд в інших галактиках, він виміряв відстань до них і зіставив його з червоним усуненням у їх спектрах. Так 1929 року він розробив свій знаменитий закон. Його робота остаточно спростувала думку, що зміцнилася, про те, що Чумацький Шлях є краєм Всесвіту. Тепер він був однією з багатьох галактик, які ще колись вважали його складовою. Гіпотеза Канта підтвердилася майже два століття після її розробки.

Надалі, відкритий Хабблом зв'язок відстані галактики від спостерігача щодо швидкості її віддалення від нього, дозволило скласти повноцінну картину великомасштабної структури Всесвіту. Виявилося, галактики були лише її нікчемною частиною. Вони зв'язувалися в скупчення, скупчення в скупчення. У свою чергу, надскоплення складаються у найбільші з відомих структур у Всесвіті – нитки та стіни. Ці структури, сусідячи з величезними надпустотами () і становлять великомасштабну структуру, відомої на даний момент, Всесвіту.

Очевидна нескінченність

Зі сказаного вище те, що за кілька століть наука поетапно перепорхнула від геоцентризму до сучасного розуміння Всесвіту. Однак це не дає відповіді, чому ми обмежуємо Всесвіт у наші дні. Адже досі йшлося лише про масштаби космосу, а не про саму його природу.

Першим, хто зважився довести нескінченність Всесвіту, був Ісаак Ньютон. Відкривши закон всесвітнього тяжіння, він вважав, що будь простір, звичайно, всі її тіла рано чи пізно зіллються в єдине ціле. До нього думка про нескінченність Всесвіту, якщо хтось і висловлював, то виключно у філософському ключі. Без жодних наукових обґрунтувань. Прикладом цього є Джордано Бруно. До речі, він подібно до Канта, на багато століть випередив науку. Він першим заявив, що зірки є далекими сонцями, і навколо них теж обертаються планети.

Здавалося б, сам факт нескінченності досить обґрунтований і очевидний, але переломні тенденції науки ХХ століття похитнули цю «істину».

Стаціонарний Всесвіт

Перший суттєвий крок на шляху до розробки сучасної моделі Всесвіту зробив Альберт Ейнштейн. Свою модель стаціонарного Всесвіту знаменитий фізик увів у 1917 році. Ця модель була заснована на загальній теорії відносності, розробленої ним роком раніше. Згідно з його моделлю, Всесвіт є нескінченним у часі і кінцевим у просторі. Але, як зазначалося раніше, згідно з Ньютоном Всесвіт з кінцевим розміром повинен сколапсуватися. Для цього Ейнштейн запровадив космологічну постійну, яка компенсувала гравітаційне тяжіння далеких об'єктів.

Як би це парадоксально не звучало, саму кінцівку Всесвіту Ейнштейн нічим не обмежував. На його думку, Всесвіт є замкнутою оболонкою гіперсфери. Аналогією служить поверхня традиційної тривимірної сфери, наприклад – глобуса чи Землі. Скільки б мандрівник не подорожував Землею, він ніколи не досягне її краю. Однак це зовсім не означає, що Земля нескінченна. Мандрівник просто повертатиметься до того місця, звідки почав свій шлях.

На поверхні гіперсфери

Так само космічний мандрівник, долаючи Всесвіт Ейнштейна на зорельоті, може повернутися назад на Землю. Тільки цього разу мандрівник рухатиметься не за двовимірною поверхнею сфери, а по тривимірній поверхні гіперсфери. Це означає, що Всесвіт має кінцевий об'єм, а отже, і кінцеве число зірок і масу. Однак ні кордонів, ні якогось центру у Всесвіті не існує.

Таких висновків Ейнштейн дійшов, зв'язавши у своїй знаменитій теорії простір, час і гравітацію. До нього ці поняття вважалися відокремленими, чому і простір Всесвіту був суто евклідовим. Ейнштейн довів, що саме тяжіння є викривленням простору-часу. Це докорінно змінювало ранні уявлення про природу Всесвіту, що базується на класичній ньютонівській механіці та евклідовій геометрії.

Всесвіт, що розширюється.

Навіть сам першовідкривач «нового Всесвіту» не був чужий помилок. Ейнштейн хоч і обмежив Всесвіт у просторі, він продовжував вважати її статичною. Згідно з його моделлю, Всесвіт був і залишається вічним, і його розмір завжди залишається незмінним. У 1922 році радянський фізик Олександр Фрідман суттєво доповнив цю модель. Згідно з його розрахунками, Всесвіт зовсім не статичний. Вона може розширюватись або стискатися з часом. Примітно те, що Фрідман прийшов до такої моделі, ґрунтуючись на тій самій теорії відносності. Він зумів коректніше застосувати цю теорію, минаючи космологічну постійну.

Альберт Ейнштейн не одразу прийняв таку «поправку». На допомогу цієї нової моделі прийшло згадане раніше відкриття Хаббла. Розбігання галактик безперечно доводило факт розширення Всесвіту. Так Ейнштейну довелося визнати свою помилку. Тепер Всесвіт мав певний вік, який суворо залежить від постійної Хаббла, що характеризує швидкість її розширення.

Подальший розвиток космології

У міру того, як вчені намагалися вирішити це питання, було відкрито багато інших найважливіших складових Всесвіту та розроблено різні його моделі. Так у 1948 році Георгій Гамов ввів гіпотезу «про гарячий Всесвіт», яка згодом перетвориться на теорію великого вибуху. Відкриття 1965 року підтвердило його припущення. Тепер астрономи могли спостерігати світло, що дійшло з того моменту, коли Всесвіт став прозорим.

Темна матерія, передбачена в 1932 Фріцом Цвіккі, отримала своє підтвердження в 1975 році. Темна матерія фактично пояснює саме існування галактик, галактичних скупчень і самої Вселенської структури загалом. Так вчені дізналися, що більшість маси Всесвіту і зовсім невидима.

Нарешті, в 1998 році в ході дослідження відстані було відкрито, що Всесвіт розширюється з прискоренням. Цей черговий поворотний момент у науці породив сучасне розуміння природи Всесвіту. Введений Ейнштейном і спростований Фрідманом космологічний коефіцієнт знову знайшов своє місце у моделі Всесвіту. Наявність космологічного коефіцієнта (космологічної постійної) пояснює її прискорене розширення. Для пояснення наявності космологічної постійної було введено поняття - гіпотетичне поле, що містить велику частину маси Всесвіту.

Сучасне уявлення про розмір Всесвіту, що спостерігається.

Сучасна модель Всесвіту також називається ΛCDM-моделлю. Літера «Λ» означає присутність космологічної постійної, що пояснює прискорене розширення Всесвіту. CDM означає те, що Всесвіт заповнений холодною темною матерією. Останні дослідження свідчать, що постійна Хаббла становить близько 71 (км/с)/Мпк, що він відповідає віку Всесвіту 13,75 млрд. років. Знаючи вік Всесвіту, можна оцінити розмір його області, що спостерігається.

Відповідно до теорії відносності інформація про якийсь об'єкт не може досягти спостерігача зі швидкістю більшою, ніж швидкість світла (299792458 м/c). Виходить, спостерігач бачить не просто об'єкт, а його минуле. Чим далі знаходиться від нього об'єкт, тим у далеке минуле він дивиться. Наприклад, дивлячись на Місяць, бачимо такий, який він був трохи більше секунди тому, Сонце – понад вісім хвилин тому, найближчі зірки – роки, галактики – мільйони років тому й т.д. У стаціонарній моделі Ейнштейна Всесвіт не має обмеження за віком, а значить і її область також нічим не обмежена. Спостерігач, озброюючись дедалі досконалішими астрономічними приладами, спостерігатиме дедалі дальніші й древні об'єкти.

Іншу картину ми маємо із сучасною моделлю Всесвіту. Згідно з нею Всесвіт має вік, а значить і межу спостереження. Тобто з моменту народження Всесвіту жодний фотон не встиг би пройти відстань більшу, ніж 13,75 млрд світлових років. Виходить, можна заявити про те, що Всесвіт, що спостерігається, обмежений від спостерігача кулястою областю радіусом 13,75 млрд. світлових років. Однак це не зовсім так. Не варто забувати і про розширення простору Всесвіту. Поки фотон досягне спостерігача, об'єкт, який його випустив, буде від нас уже за 45,7 мільярдів св. років. Цей розмір є горизонтом частинок, він і є кордоном Всесвіту, що спостерігається.

За горизонтом

Отже, розмір Всесвіту ділиться на два типи. Видимий розмір, званий також радіусом Хаббла (13,75 млрд світлових років). І реальний розмір, який називають горизонтом частинок (45,7 млрд. св. років). Важливо те, що обидва ці горизонти зовсім не характеризують реальний розмір Всесвіту. По-перше, вони залежать від становища спостерігача у просторі. По-друге, вони змінюються з часом. У випадку ΛCDM-моделі горизонт часток розширюється зі швидкістю більшою, ніж обрій Хаббла. Питання те, чи зміниться така тенденція надалі, сучасна наука відповіді не дає. Але якщо припустити, що Всесвіт продовжить розширюватися з прискоренням, всі ті об'єкти, які ми бачимо зараз рано чи пізно зникнуть з нашого «поля зору».

На даний момент найдальшим світлом, яке спостерігається астрономами, є реліктове випромінювання. Вдивляючись у нього, вчені бачать Всесвіт таким, яким він був через 380 тисяч років після Великого Вибуху. У цей момент Всесвіт охолонув настільки, що зміг випускати вільні фотони, які й уловлюють у наші дні за допомогою радіотелескопів. У ті часи у Всесвіті не було ні зірок, ні галактик, а лише суцільна хмара з водню, гелію та нікчемної кількості інших елементів. З неоднорідностей, що спостерігаються в цій хмарі, згодом сформуються галактичні скупчення. Виходить саме ті об'єкти, які сформуються з неоднорідностей реліктового випромінювання, розташовані найближче до горизонту частинок.

Справжні межі

Те, чи має Всесвіт справжні, не спостерігаються кордону, досі залишається предметом псевдонаукових здогадів. Так чи інакше, всі сходяться на нескінченності Всесвіту, але інтерпретують це нескінченність зовсім по-різному. Одні вважають Всесвіт багатовимірним, де наш «місцевий» тривимірний Всесвіт є лише одним з його верств. Інші кажуть, що Всесвіт фрактальний – а це означає, що наш місцевий Всесвіт може виявитися часткою іншою. Не варто забувати і про різні моделі Мультивселена з її закритими, відкритими, паралельними Всесвітами, червоточинами. І ще багато різних версій, кількість яких обмежена лише людською фантазією.

Але якщо включити холодний реалізм або просто відсторонитися від усіх цих гіпотез, то можна припустити, що наш Всесвіт є нескінченним однорідним вмістилищем усіх зірок і галактик. Причому, в будь-якій дуже далекій точці, будь вона в мільярдах гігапарсек від нас, всі умови будуть такими самими. У цій точці будуть точно такими ж обрієм частинок і сфера Хаббла з таким же реліктовим випромінюванням біля їхньої кромки. Навколо будуть такі ж зірки та галактики. Що цікаво, це не суперечить розширенню Всесвіту. Адже розширюється не просто Всесвіт, а саме його простір. Те, що в момент великого вибуху Всесвіт виник з однієї точки говорить тільки про те, що нескінченно дрібні (практичні нульові) розміри, що були тоді, зараз перетворилися на неймовірно великі. Надалі користуватимемося саме цією гіпотезою для того, що наочно усвідомити масштаби спостережуваного Всесвіту.

Наочна вистава

У різних джерелах наводяться різні наочні моделі, що дозволяють людям зрозуміти масштаби Всесвіту. Однак нам мало усвідомити, наскільки великий космос. Важливо уявляти, як виявляють такі поняття, як горизонт Хаббла і горизонт часток насправді. Для цього поетапно уявимо свою модель.

Забудемо про те, що сучасна наука не знає про «закордонну» область Всесвіту. Відкинувши версії про мультивсесвіт, фрактальний Всесвіт та інші її «різновиди», уявімо, що він просто нескінченний. Як зазначалося раніше, це суперечить розширенню її простору. Вочевидь, врахуємо те, що її сфера Хаббла і сфера частинок відповідно дорівнюють 13,75 і 45,7 млрд світлових років.

Масштаби Всесвіту

Натисніть кнопку СТАРТ та відкрийте для себе новий, незвіданий світ!
Спочатку спробуємо усвідомити, наскільки великі Всесвітні масштаби. Якщо ви подорожували нашою планетою, то цілком можете уявити, наскільки для нас велика Земля. Тепер представимо нашу планету як гречану крупицю, яка рухається орбітою навколо кавуна-Сонця розміром з половину футбольного поля. У такому разі орбіта Нептуна відповідатиме розміру невеликого міста, область – Місяцю, область кордону впливу Сонця – Марсу. Виходить, наша Сонячна Система настільки ж більша за Землю, наскільки Марс більше гречаної крупи! Але це лише початок.

Тепер уявімо, що цією гречаною крупою буде наша система, розмір якої приблизно дорівнює одному парсеку. Тоді Чумацький Шлях буде розміром із два футбольні стадіони. Однак цього нам буде мало. Прийде і Чумацький Шлях зменшити до сантиметрового розміру. Вона чимось нагадуватиме загорнуту у вирі кавову пінку посеред кавово-чорного міжгалактичного простору. За двадцять сантиметрів від неї розташуватиметься така ж спіральна «крихта» — Туманність Андромеди. Навколо них буде рій малих галактик нашого Місцевого Скупчення. Видимий розмір нашого Всесвіту становитиме 9,2 кілометра. Ми підійшли до розуміння Всесвітніх розмірів.

Усередині всесвітнього міхура

Проте, нам мало зрозуміти сам масштаб. Важливо усвідомити Всесвіт динаміці. Уявімо себе гігантами, для яких Чумацький Шлях має сантиметровий діаметр. Як зазначалося щойно, ми опинимося всередині кулі радіусом 4,57 та діаметром 9,24 кілометрів. Уявимо, що ми здатні ширяти всередині цієї кулі, подорожувати, долаючи за секунду цілі мегапарсеки. Що ми побачимо в тому випадку, якщо наш Всесвіт буде нескінченним?

Зрозуміло, перед нами з'явиться безліч різноманітних галактик. Еліптичні, спіральні, іррегулярні. Деякі області будуть кишити ними, інші - порожні. Головна особливість буде в тому, що візуально всі вони будуть нерухомі, поки будемо нерухомими. Але варто нам зробити крок, як і самі галактики почнуть рухатися. Наприклад, якщо ми будемо здатні розглянути в сантиметровому Чумацькому Шляху мікроскопічну Сонячну Систему, то зможемо спостерігати її розвиток. Віддалившись від нашої галактики на 600 метрів, ми побачимо протозірку Сонце та протопланетний диск у момент формування. Наближаючись до неї, ми побачимо, як з'являється Земля, зароджується життя і людина. Так само ми бачитимемо, як видозмінюються і переміщаються галактики у міру того, як ми будемо видалятися або наближатися до них.

Отже, чим у далекі галактики ми вдивлятимемося, тим древнішими вони будуть для нас. Так найдальші галактики будуть розташовані від нас далі 1300 метрів, а на рубежі 1380 метрів ми бачитимемо вже реліктове випромінювання. Щоправда, ця відстань для нас буде уявною. Однак, у міру того, як наближатися до реліктового випромінювання, ми бачитимемо цікаву картину. Природно, ми спостерігатимемо те, як з початкової хмари водню утворюватимуться і розвиватимуться галактики. Коли ж ми досягнемо одну з цих галактик, що утворилися, то зрозуміємо, що подолали зовсім не 1,375 кілометрів, а всі 4,57.

Зменшуючи масштаби

Як результат ми ще більше збільшимося у розмірах. Тепер ми можемо розмістити в кулаку цілі увійди та стіни. Так ми опинимося в досить невеликому міхурі, з якого неможливо вибратися. Мало того, що відстань до об'єктів на краю міхура буде збільшуватися в міру їхнього наближення, так ще й сам край нескінченно зміщуватиметься. У цьому і полягає вся суть розміру Всесвіту, що спостерігається.

Який би Всесвіт не був великий, для спостерігача він завжди залишиться обмеженим міхуром. Спостерігач завжди буде у центрі цього міхура, фактично він і є його центром. Намагаючись дістатися до будь-якого об'єкта на краю міхура, спостерігач зміщуватиме його центр. У міру наближення до об'єкта, цей об'єкт все далі відходитиме від краю міхура і водночас видозмінюватиметься. Наприклад - від безформної водневої хмарки вона перетвориться на повноцінну галактику або далі галактичне скупчення. До того ж, шлях до цього об'єкта збільшуватиметься в міру наближення до нього, оскільки змінюватиметься сам навколишній простір. Діставшись цього об'єкта, ми лише змістимо його з краю міхура в його центр. На краю Всесвіту все також мерехтітиме реліктове випромінювання.

Якщо припустити, що Всесвіт і далі розширюватиметься прискорено, то перебуваючи в центрі міхура і мотаючи час на мільярди, трильйони і навіть вищі порядки років уперед, ми помітимо ще цікавішу картину. Хоча наш міхур буде також збільшуватися в розмірах, його видозмінні складові будуть віддалятися від нас ще швидше, покидаючи край цього міхура, поки кожна частка Всесвіту не буде розрізнено блукати у своєму самотньому міхурі без можливості взаємодіяти з іншими частинками.

Отже, сучасна наука не має у своєму розпорядженні відомостей про те, які реальні розміри Всесвіту і чи має вона межі. Але ми точно знаємо про те, що Всесвіт, що спостерігається, має видимий і справжній кордон, званий відповідно радіусом Хаббла (13,75 млрд св. років) і радіусом частинок (45,7 млрд. світлових років). Ці межі повністю залежать від становища спостерігача у просторі та розширюються з часом. Якщо радіус Хаббла розширюється строго зі швидкістю світла, розширення горизонту частинок носить прискорений характер. Питання про те, чи буде його прискорення горизонту частинок продовжуватись далі і чи не зміниться на стиск, залишається відкритим.

Під космологічними даними розуміють результати експериментіві спостережень, що стосуються Всесвіту в цілому в широкому діапазоні простору та часу. Будь-яка мислима космологічна модель має задовольняти цим даним. Можна виділити 6 основних спостережних фактів, які має пояснити космологія:

1. У великих масштабах Всесвіт однорідний і ізотропний, тобто. галактики та його скупчення розподілені у просторі рівномірно (однорідно), які рух хаотично і немає явно виділеного напрями (ізотропно). Принцип Коперника, який «зрушив Землю з центру світу», був узагальнений астрономами на Сонячну систему та нашу Галактику, які також виявилися цілком рядовими. Тому, за винятком дрібних неоднорідностей у розподілі галактик та їх скупчень, астрономи вважають Всесвіт таким самим однорідним скрізь, як і поблизу нас.

2. Всесвіт розширюється. Галактики віддаляються одна від одної.

Будь-яка космологічна модель Всесвіту спирається на певну теорію гравітації. Таких теорій багато, але деякі з них задовольняють спостеріганим явищам. Теорія тяжіння Ньютона не задовольняє їм у межах Сонячної системи. Найкраще узгоджується зі спостереженнями загальна теорія відносності Ейнштейна, на основі якої російський метеоролог А. Фрідман у 1922 р. і бельгійський абат і математик Ж. Леметр у 1927 р. математично описали розширення Всесвіту. З космологічного принципу, що постулює просторову однорідність та ізотропність світу, вони здобули модель Великого вибуху. Їх висновок підтвердився, коли Хаббл виявив зв'язок між відстанню і швидкість розбігу галактик. Друге важливе передбачення цієї моделі, зроблене Г.Гамовим, стосувалося реліктового випромінювання, яке зараз спостерігається як залишок епохи Великого вибуху. Інші космологічні моделі не можуть природно пояснити це ізотропне фонове випромінювання.Гарячий великий вибух. Відповідно до космологічної моделі Фрідмана «Леметра, Всесвіт виник у момент Великого вибуху» прибл. 20 млрд. років тому, і її розширення триває досі, поступово сповільнюючись. У першу мить вибуху матерія Всесвіту мала нескінченну щільність та температуру; такий стан називають сингулярністю.

Відповідно до загальної теорії відносності, гравітація не є реальною силою, а є викривлення простору-часу: чим більша щільність матерії, тим сильніше викривлення. У момент початкової сингулярності викривлення було нескінченним. Можна висловити нескінченну кривизну простору-часу іншими словами, сказавши, що в початковий момент матерія і простір одночасно вибухнули скрізь у Всесвіті. У міру збільшення обсягу простору Всесвіту, що розширюється, щільність матерії в ній падає. С. Хокінг і Р. Пенроуз довели, що в минулому неодмінно був сингулярний стан, якщо загальна теорія відносності застосовна для опису фізичних процесів у дуже ранньому Всесвіті.

Щоб уникнути катастрофічної сингулярності у минулому, потрібно суттєво змінити фізику, наприклад, припустивши можливість мимовільного безперервного народження матерії, як у теорії стаціонарного Всесвіту. Але астрономічні спостереження не дають цього ніяких підстав.

Чим більш ранні події ми розглядаємо, тим меншим був їхній просторовий масштаб; у міру наближення до початку розширення обрій спостерігача стискається (рис. 1). У перші миті масштаб такий малий, що ми вже не маємо права застосовувати загальну теорію відносності: для опису явищ у таких малих масштабах потрібна квантова механіка (см. КВАНТОВА МЕХАНІКА). Але квантової теорії гравітації поки що не існує, тому ніхто не знає, як розвивалися події до моменту.