Возраст Вселенной.

Само явление расширения Вселенной по закону Хаббла означает, что некоторое конечное время назад Вселенная занимала очень малый (если не нулевой) объем. И хотя современная космология не позволяет отвечать на вопрос, существовала ли Вселенная до этого момента, она может в какой- то степени ответить на другой вопрос: когда Вселенная начала свое существование? Под началом существования Вселенной мы будем подразумевать то ее состояние, когда все вещество было сконцентрировано в исключительно малом объеме с огромной плотностью. Тогда под возрастом Вселенной можно понимать время, отделяющее нас от «начала Вселенной». Говоря иначе, возраст Вселенной это время, протекшее с тех пор, когда любые две галактики, наблюдаемые сегодня разбегающимися друг от друга, «соприкасались» друг с другом. (Можно не вдаваться в детали эволюции галактик в течение того времени, когда они находились в тесном контакте друг с другом, поскольку это время составляло лишь малую часть их сегодняшнего возраста). Поэтому возраст Вселенной по порядку величины можно оценивать как отношение относительного расстояния ROTU. к от,носит,ельной скорости г>отп. пары галактик:

Но, согласно закону Хаббла (36.2), скорость разбегания галактик равна постоянной Хаббла Hq, умноженной на расстояние между галактиками:

Из (36.4) (36.5) следует:

Итак, возраст Вселенной равен обратной величине сегодняшнего значения постоянной Хаббла Н^1, что при современном значении Но в весьма грубом приближении вследствие большого разброса вероятных значений Но - дает величину 20 миллиардов (20 • 109) лет. Заметим, что эта оценка получена в предположении, что скорости галактик не менялись с течением времени. (Мы вскоре убедимся, что это предположение опровергается сегодняшними наблюдениями, и в данную нами оценку придется внести поправку).

Фактически величина I/Но дает в некотором достаточном приближении лишь значение возраста «открытой Вселенной». Возраст замкнутой Вселенной (к = +1), которой суждено испытать после расширения последующее сжатие, на самом деле должен быть меньше чем 1/Но. Он приблизительно равен 2/3Н^1, т. е. составляет около 13 млрд, лет (при том же нынешнем значении постоянной Хаббла Но)-

Вечен ли мир? Бесконечна ли Вселенная? На эти философские вопросы может теперь давать свои ответы релятивистская космология. И эти ответы будут весьма неожиданными, как неожиданны почти все выводы теории Эйнштейна.

Прежде всего следует вспомнить, что объем Вселенной трехмерное понятие и потому не обязан быть инвариантом при произвольных общековариантных преобразованиях. Мы знаем, что ни одна физически реальная космологическая модель не допускает статической системы отсчета: все они ускоренно движутся одна относительно другой. И вот наш космолог А. Л. Зель- манов доказал удивительный результат: факт конечности или бесконечности объема космологической модели зависит от выбора системы отсчета. Более того, оказалось, что 4-мерный мир, в котором трехмерный объем Вселенной бесконечен, может быть частью другого 4-мерного мира, в котором трехмерный объем Вселенной конечен (таковыми оказались 4-мерные миры, описываемые решениями Леметра и Робертсона для фридмановской Вселенной). Таким образом, бесконечная Вселенная может вместиться в конечный объем, стоит только перейти в другую систему отсчета. Это крайнее проявление относительности пространственных расстояний в масштабе Вселенной, подобное тому, как на примере черной дыры мы видели крайнее проявление относительности промежутков времени.

Но, может быть, такое же крайнее проявление относительности времени может привести и к относительности самого времени жизни Вселенной? Мы задаемся вопросом: вечен ли мир или не вечен? Но, может быть, ответ зависит от того, в какой системе отсчета мы наблюдаем мир?

Современная космология не позволяет утверждать это. Если бы конечность или бесконечность времени жизни Вселенной была относительной, то относительным был бы и ответ на вопрос: возникла ли когда-то Вселенная или она существовала вечно? Но мир не мог существовать вечно. Современные физика и космология утверждают это категорически.

Не противоречит ли это закону сохранения массы-энергии? Да и, кроме того, как можно представлять себе рождение всей Вселенной из ничего? Оказалось, что Вселенная могла возникнуть из ничего без нарушений каких-либо известных законов физики. В релятивистской космологии доказывается теорема: полная масса (а значит, энергия Е = тс2) замкнутой фридманов- ской Вселенной равна нулю. Это объясняется тем, что энергия гравитационного взаимодействия частей системы отрицательна и точно компенсирует положительную энергию (массу) суммы всех частей, всего вещества. Энергия «ничего» равна нулю. Но и энергия замкнутой (т. е. имеющей конечный трехмерный объем) Вселенной тоже равна, нулю. Почему же замкнутая Вселенная не могла родиться из ничего? Закону сохранения энергии это не противоречит. А фридмановская космология одинаково допускает как открытые, так и замкнутые модели.

Надо сказать, ученые встретили идею начала Вселенной без энтузиазма. Всем не только Эйнштейну хотелось верить в вечную Вселенную, в непреходящие небеса. Они вовсе не хотели верить, что Вселенная когда-то возникла. И, казалось бы, фридмановские модели не исключали возможности вечной Вселенной или вечно пульсирующей (модель типа (ф), или начинающей эволюцию не с нулевого, а с конечного минимального радиуса (модель М2).

Вначале эта идея наталкивала ученых на гипотезу пульсирующей вечной Вселенной, причем была надежда, что в процессе пульсаций она не сжимается в точку. Но уже в 30-е годы был выдвинут серьезный термодинамический аргумент против вечной циклически повторяющейся Вселенной. Дело в том, что в ходе каждого цикла (расширение - сжатие) энтропия Вселенной растет. Это означает, что какое-то конечное число циклов назад энтропия Вселенной была равна нулю. Легко показывается, что амплитуда цикла (радиус Вселенной) с ростом энтропии увеличивается. Значит, конечное время назад Вселенная имела нулевой радиус. Циклическая модель тоже нуждается в начале мира. Она не спасает идею вечности Вселенной.

Раз цикличность Вселенной с конечным минимальным радиусом исключалась, оставалась лишь цикличность с сингулярностью. Тогда вспомнили, что фридмановские модели обладают особенностью при ? = 0 Ц космическое время), называемой начальной сингулярностью. Однако все считали, что реализоваться во Вселенной такое никак не может. Но с 1965 года, с открытием реликтового излучения (Пензиас и Вилсон) пришлось смириться и с мыслью о начальной сингулярности. Реликтовое излучение прямо показывало, что оно идет от «начала Вселенной», из ее сингулярного состояния. Тогда оставалось всего две альтернативы. Первая вечная цикличность с переходом каждый раз через сингулярность; вторая Вселенная возникла один раз из сингулярного состояния. Какую предпочесть? В обеих содержалась мистика, родственная с мифологией. Первая возможность напоминала древнеиндийскую мифологическую идею мировых циклов смены «дней Брамы»: Вселенная разрушается полностью, а затем воссоздается, и так без конца, с идеальной равномерной цикличностью. Вторая возможность соединялась уже с библейским мифом о сотворении мира.

Весьма известный космолог XX века Леметр из этих двух альтернатив предпочел все-таки вторую. Первая альтернатива, сказал он, принципиально не отличается от второй. Если Вселенная проходит через сингулярное состояние в некоторый момент времени ? = 0, раньше которого мы не можем получить о ней никакой информации, то предшествующая стадия, по его словам, «метафизична в худшем смысле этого слова». В обоих случаях при ? = О мы имеем в полном смысле начало мира. Однако в первой альтернативе Вселенная в начале имела максимальную энтропию (вследствие полного разрушения всех предыдущих форм структуры материи). Поэтому она не позволяет объяснить возникновение новых структур -звезд, галактик: энтропия Вселенной тогда не росла бы, а уменьшалась. Вторая альтернатива все это объясняет, поскольку в ней энтропия в начале мира минимальна.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >