Как появилась вселенная?

Космология и объекты ее изучения

Само понятие Вселенная не имеет четкого определения в астрономии. В разные исторические периоды и у различных народов оно имело целый ряд синонимов, таких как «космос», «мир», «мироздание», «универсум» или «небесная сфера». Нередко, говоря о процессах, происходящих в глубинах Вселенной, применяют термин «макрокосмос», противоположностью которому является «микрокосмос» мира атомов и элементарных частиц.

Сверхновая Cas A в созвездии Кассиопеи помогла астрономам понять, что будет с планетами нашей системы после смерти Солнца

На нелегком пути познания космология нередко пересекается с философией и даже теологией, и в этом нет ничего удивительного. Наука об устройстве Вселенной пытается объяснить, когда и как возникло мироздание, разгадать тайну зарождения материи, понять место Земли и человечества в бесконечности космоса.

У современной космологии две наибольшие проблемы. Во-первых, объект ее изучения – Вселенная – уникален, что делает невозможным применение статистических схем и методов. Говоря кратко, мы не знаем о существовании других Вселенных, их свойствах, структуре, поэтому не можем сравнивать. Во-вторых, длительность астрономических процессов не дает возможность проводить прямые наблюдения.

Космология исходит из постулата, что свойства и строение Вселенной одинаковы для любого наблюдателя, за исключением редких космических феноменов. Это означает, что вещество во Вселенной распределено однородно, и она имеет одинаковые свойства во всех направлениях. Из этого следует, что физические законы, работающие в части Вселенной, вполне можно экстраполировать на всю Метагалактику.

Различие между астрономией и космологией

1. Космология — это наука о Вселенной как едином целом, астрономия же изучает лишь звёздные тела.
2. Астрономия возникла у древних людей намного раньше, они ориентировались только по звёздам, поклонялись древним богам и т. д.
3. Космология объединяет знания из астрофизики, физики, философии, геологии, космогонии и астрономии.
4. В космологии ученые не привязывают свои теории к конкретным планетам, а трактуют их как бы обобщенно.
5. Астрономия не полагается практически ни на один закон физики, в то время как в основе космологии лежат многие физические утверждения.
6. Космология, в отличие от астрологии, не относится к строгим наукам. Ряд её предположений не несет никакого практического подтверждения.
7. Астрономия включает в себя наблюдения за космическими явлениями, в то время как космология находит объяснения для каждого из них.

Однако даже на сегодняшний день многие ученые считают, что космология является частью астрономии и не относят её к отдельным направлениям.

В современной науке сделано много открытий, которые позволяют расширить знания о нашей Вселенной. Некоторые из теорий подтверждены учеными мира экспериментально. Однако остается ещё много задач, которые требует тщательного изучения и материальной базы. Даже сегодня не существует единого мнения, что собой представляет Вселенная, из какого вещества она состоит. Это и является одним из заданий учёных в области не только космологии, но и сопутствующих ей наук. Знания об окружающем нас мире растут в геометрической прогрессии, но наряду с ними появляется все больше дополнительных вопросов. Для космологии это можно считать нормальным путём развития и становления как отдельной науки.

Ускоренное расширение и возвращение Лямбда-члена

В 1998-м году две независимые группы ученых, ведущие наблюдение за сверхновыми в других галактиках, обнаружили, что расстояние до этих звезд значительно больше прогнозируемого законом Хаббла. Из этого последовал вывод о том, что Вселенная расширяется с ростом скорости, то бишь ускоренно. Ранее считалось, что в силу наличия материи и гравитации расширение Вселенной замедляет свой темп (Λ = 0). Вскоре после других наблюдений, приведших к аналогичному выводу, ученые убедились в том, что существует некая неизвестная ранее энергия, действующая в противовес гравитации. Последнюю прозвали «темной энергией».

Ускоренное расширение Вселенной. График роста расстояний

Чтобы данное открытие согласовывалось с ОТО ученые вновь вернули Лямбда-член в уравнения Эйнштейна, при этом указав ее значение как положительное. Таким образом, темная энергия плотно связана с космологической константой. Дальнейшие попытки описать природу темной энергии привели физиков к тому, что Лямбда-член не просто дополнительный множитель, введенный в уравнения ОТО для состыковки теоретической конструкции с наблюдениями. Наиболее простое объяснение темной энергии указывает на то, что любой объем пространства имеет некую присущую ему энергию, называемую «энергией чистого вакуума», а космологическая постоянная выступает в роли плотности этой энергии. Таким образом, Альберт Эйнштейн, некогда называвший Лямбда-член «величайшей ошибкой» за всю его научную деятельность, косвенно предсказал наличие энергии, приводящей к ускоренному расширению Вселенной.

Также следует упомянуть, что как выяснилось учеными после жизни Эйнштейна, космологическая постоянная давала возможность существовать Вселенной в стабильном состоянии, лишь некоторое время при определенных условиях. И при первом же незначительном изменении в условиях начался бы либо процесс сжатия, либо процесс расширения Вселенной.

Наглядная модель расширения Вселенной со времен Большого Взрыва

Нерешенные проблемы космологии Большого взрыва.

Можно отметить 4 проблемы, стоящие сейчас перед космологической моделью Большого взрыва.

1. Проблема сингулярности: многие сомневаются в применимости общей теории относительности, дающей сингулярность в прошлом. Предлагаются альтернативные космологические теории, свободные от сингулярности.

2. Тесно связана с сингулярностью проблема изотропности Вселенной. Кажется странным, что начавшееся с сингулярного состояния расширение оказалось столь изотропным. Не исключено, правда, что анизотропное вначале расширение постепенно стало изотропным под действием диссипативных сил.

3. Однородная на самых больших масштабах, на меньших масштабах Вселенная весьма неоднородна (галактики, скопления галактик). Трудно понять, как одна лишь гравитация могла привести к появлению такой структуры. Поэтому космологи изучают возможности неоднородных моделей Большого взрыва.

4. Наконец, можно спросить, каково будущее Вселенной? Для ответа необходимо знать среднюю плотность материи во Вселенной. Если она превосходит некоторое критическое значение, то геометрия пространства-времени замкнутая, и в будущем Вселенная непременно сожмется. Замкнутая Вселенная не имеет границ, но ее объем конечен. Если плотность ниже критической, то Вселенная открыта и будет расширяться вечно. Открытая Вселенная бесконечна и имеет только одну сингулярность вначале. Пока наблюдения лучше согласуются с моделью открытой Вселенной.

Проблемы теории Большого взрыва

Космология — это относительно молодая наука. Она стала существовать отдельно лишь с середины XX века. Её основные доводы экспериментально доказаны благодаря учёным из области астрономии, которые вели наблюдения за нашей Вселенной. Космология — это постоянно развивающаяся наука, она не стоит на месте. Те теоретические данные, которые были выдвинуты несколько десятилетий назад, уже получили экспериментальное подтверждение или опровержение.

Например, во времена учений Эйнштейна и Фридмана плотность Вселенной могла иметь любое значение. Сегодня научно доказано, что эта величина составляет критическое значение р_кр. Таких примеров можно привести огромное количество.

Существует ряд основных проблем космологии, которые остаются актуальными на сегодняшний день:

• плоскость Вселенной;
• горизонт Вселенной (выглядит идентично с разных направлений);
• откуда возникли гравитационные уплотнения, в результате которых образовались галактики;
• из каких именно веществ на самом деле состоит наша Вселенная;
• согласно теории квантовой гравитации космологическая постоянная должна быть выше в 120 раз;
• как между собой согласуются время жизни Вселенной и звезд.

Альтернативные космологические модели.

Вообще говоря, в самом начале своего существования Вселенная могла быть весьма хаотична и неоднородна; следы этого мы, возможно, наблюдаем сегодня в крупномасштабном распределении вещества. Однако период хаоса не мог длиться долго. Высокая однородность космического фонового излучения свидетельствует, что Вселенная была очень однородна в возрасте 1 млн. лет. А расчеты космологического ядерного синтеза указывают, что если бы по истечении 1 с после начала расширения существовали большие отклонения от стандартной модели, то состав Вселенной был бы совсем иным, чем в действительности. Однако о том, что было в течение первой секунды, еще можно спорить. Кроме стандартной модели Большого взрыва, в принципе существуют и альтернативные космологические модели:

1. Модель, симметричная относительно материи и антиматерии, предполагает равное присутствие этих двух видов вещества во Вселенной. Хотя очевидно, что наша Галактика практически не содержит антивещества, соседние звездные системы вполне могли бы целиком состоять из него; при этом их излучение было бы точно таким же, как у нормальных галактик. Однако в более ранние эпохи расширения, когда вещество и антивещество были в более тесном контакте, их аннигиляция должна была рождать мощное гамма-излучение. Наблюдения его не обнаруживают, что делает симметричную модель маловероятной.

2. В модели Холодного Большого взрыва предполагается, что расширение началось при температуре абсолютного нуля. Правда, и в этом случае ядерный синтез должен происходить и разогревать вещество, но микроволновое фоновое излучение уже нельзя прямо связывать с Большим взрывом, а нужно объяснять как-то иначе. Эта теория привлекательна тем, что вещество в ней подвержено фрагментации, а это необходимо для объяснения крупномасштабной неоднородности Вселенной.

3. Стационарная космологическая модель предполагает непрерывное рождение вещества. Основное положение этой теории, известное как Идеальный космологический принцип, утверждает, что Вселенная всегда была и останется такой, как сейчас. Наблюдения опровергают это.

4. Рассматриваются измененные варианты эйнштейновской теории гравитации. Например, теория К.Бранса и Р.Дикке из Принстона в общем согласуется с наблюдениями в пределах Солнечной системы. Модель Бранса – Дикке, а также более радикальная модель Ф.Хойла, в которой некоторые фундаментальные постоянные изменяются со временем, имеют почти такие же космологические параметры в нашу эпоху, как и модель Большого взрыва.

5. На основе модифицированной эйнштейновской теории Ж.Леметр в 1925 построил космологическую модель, объединяющую Большой взрыв с длительной фазой спокойного состояния, в течение которой могли формироваться галактики. Эйнштейн заинтересовался этой возможностью, чтобы обосновать свою любимую космологическую модель статической Вселенной, но когда было открыто расширение Вселенной, он публично отказался от нее.

КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

Под космологическими данными понимают результаты экспериментов и наблюдений, имеющие отношение к Вселенной в целом в широком диапазоне пространства и времени. Любая мыслимая космологическая модель должна удовлетворять этим данным. Можно выделить 6 основных наблюдательных фактов, которые должна объяснить космология:

1. В больших масштабах Вселенная однородна и изотропна, т.е. галактики и их скопления распределены в пространстве равномерно (однородно), а их движение хаотично и не имеет явно выделенного направления (изотропно). Принцип Коперника, «сдвинувшего Землю из центра мира», был обобщен астрономами на Солнечную систему и нашу Галактику, которые также оказались вполне рядовыми. Поэтому, исключая мелкие неоднородности в распределении галактик и их скоплений, астрономы считают Вселенную такой же однородной везде, как и вблизи нас.

2. Вселенная расширяется. Галактики удаляются друг от друга. Это обнаружил американский астроном Э.Хаббл в 1929. Закон Хаббла гласит: чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется от нас. Но это не означает, что мы находимся в центре Вселенной: в любой другой галактике наблюдатели видят то же самое. С помощью новых телескопов астрономы углубились во Вселенную значительно дальше, чем Хаббл, но его закон остался верен.

3. Пространство вокруг Земли заполнено фоновым микроволновым радиоизлучением. Открытое в 1965, оно стало, наряду с галактиками, главным объектом космологии. Его важным свойством является высокая изотропность (независимость от направления), указывающая на его связь с далекими областями Вселенной и подтверждающая их высокую однородность. Если бы это было излучение нашей Галактики, то оно отражало бы ее структуру. Но эксперименты на баллонах и спутниках доказали, что это излучение в высшей степени однородно и имеет спектр излучения абсолютно черного тела с температурой около 3 К. Очевидно, это реликтовое излучение молодой и горячей Вселенной, сильно остывшее в результате ее расширения.

4. Возраст Земли, метеоритов и самых старых звезд немногим меньше возраста Вселенной, вычисленного по скорости ее расширения. В соответствии с законом Хаббла Вселенная всюду расширяется с одинаковой скоростью, которую называют постоянной Хаббла Н. По ней можно оценить возраст Вселенной как 1/Н. Современные измерения Н приводят к возрасту Вселенной ок. 20 млрд. лет. Исследования продуктов радиоактивного распада в метеоритах дают возраст ок. 10 млрд. лет, а самые старые звезды имеют возраст ок. 15 млрд. лет. До 1950 расстояния до галактик недооценивались, что приводило к завышенному значению Н и малому возрасту Вселенной, меньшему возраста Земли. Чтобы разрешить это противоречие, Г.Бонди, Т.Голд и Ф.Хойл в 1948 предложили стационарную космологическую модель, в которой возраст Вселенной бесконечен, а по мере ее расширения рождается новое вещество.

5. Во всей наблюдаемой Вселенной, от близких звезд до самых далеких галактик, на каждые 10 атомов водорода приходится 1 атом гелия. Кажется невероятным, чтобы всюду местные условия были столь одинаковы. Сильная сторона модели Большого взрыва как раз в том, что она предсказывает везде одинаковое соотношение между гелием и водородом.

6. В областях Вселенной, удаленных от нас в пространстве и во времени, больше активных галактик и квазаров, чем рядом с нами. Это указывает на эволюцию Вселенной и противоречит теории стационарной Вселенной.

Литература

• C. Bonneau, S. Brunier. Une sonde defie l’espace et le temps. Science&Vie, № 1072, Janvier 2007, p. 43
• Furley, David J. The Greek Theory of the Infinite Universe // Journal of the History of Ideas. — 1981. — Т. 42, № 4 (Oct. — Dec.). — P. 571–585..
• Gatti H. Giordano Bruno and Renaissance Science. — Cornell Univercity Press, 1999..
• Gombrich, R. F. «Ancient Indian Cosmology.» In Ancient Cosmologies, edited by Carmen Blacker and Michael Loewe, 110—142. London: Allen and Unwin, 1975.
• Granada, Miguel A. Kepler and Bruno on the Infinity of the Universe and of Solar Systems // Journal for the History of Astronomy. — 2008. — Т. 39, № 4. — P. 469—495.
• Grant E. Medieval and Seventeenth-Century Conceptions of an Infinite Void Space Beyond the Cosmos // Isis. — 1969. — Т. 60, № 201. — P. 39—60..
• Grant E. Planets, Stars, and Orbs: The Medieval Cosmos, 1200—1687. — Cambridge, 1994..
• Henderson, John B. The Development and Decline of Chinese Cosmology. Neo-Confucian Studies Series. New York: Columbia University Press, 1984.—>
• McColley G. The seventeenth-century doctrine of a plurality of worlds // Annals of Science. — 1936. — № 1. — P. 385–430..
• Sircar D.S. Cosmography and Cosmology in Early Indian Literature. Calcutta, 1976 (1 ed.: Calcutta,1967)

На русском

• Бакина В. И. Космологическое учение Гераклита Эфесского // Вестник Московского университета. Сер. 7. Философия. 1998. № 4. С. 42—55.
• Бакина В. И. Космологические учения раннегреческих философов: Учеб. пособие. М., Изд-во Моск. ун-та. 1999. — 104 с.
• Вайнберг С. Первые три минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной. — Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000, 272 с. ISBN 5-93972-013-7
• Гаврюшин Н. К. Византийская космология в XI веке // Историко-астрономические исследования. — М.: «Наука», 1983. Выпуск XVI. С. 325—338.
• Гаврюшин Н. К. Космологический трактат XV века как памятник древнерусского естествознания // Памятники науки и техники. 1981. М.: Наука, 1981, С. 183—197.
• Житомирский С. В. Гелиоцентрическая гипотеза Аристарха Самосского и античная космология. // Историко-астрономические исследования. М., 1986. Вып. 18. С. 151—160.
• Идлис Г. М. Революции в астрономии, физике и космологии. М., 1985. — 232 с.
• Койре А. От замкнутого мира к бесконечной вселенной. — 2001.
• Космологические произведения в книжности Древней Руси. Ч. II: Тексты плоскостно-комарной и других космологических традиций // Серия «Памятники древнерусской мысли». Вып. IV (2) / Отв. ред.: В. В. Мильков, С. М. Полянский. СПб.: Издат. дом «Міръ», 2008 (640 с. (50Б7 а. л.).
• Лебедев А. В. Фалес и Ксенофан (Древнейшая фиксация космологии Фалеса) // Античная философия в интерпретации буржуазных философов. М., 1981.
• Лупандин И. В. Аристотелевская космология и Фома Аквинский // Вопросы истории естествознания и техники. 1989. № 2. С. 64—73.
• Макеев В. А. Древняя философская космография в современной культуре стран Востока. — М.: РУДН, 1993
• Мочалова И. Н. О двух космологических традициях в Ранней Академии // Вестник Ленинградского государственного университета имени А. С. Пушкина (серия философия). 2007. — № 3 (6). — С. 26—34.
• Нагирнер Д. И. Элементы космологии. — СПб.: Изд-во СПбГУ, 2001.
• Павленко А. Н. Современная космология: проблема обоснования // Астрономия и научная картина мира. М. ИФРАН, 1996;
• Павленко А. Н. Европейская космология: основания эпистемологического поворота, М.- ИНТРАДА, 1997;
• Сажин М. В. Современная космология в популярном изложении. URSS. 2002. 240 с.
• Семушкин А. В. Умозрительный культ космоса в раннегреческой философии // Религия в изменяющемся мире. — М.: Изд-во РУДН, 1994. — С. 27—39.
• Турсунов А. Философия и современная космология. М., 1977.
• М. Л. Фильченков, С. В. Копылов, В. С. Евдокимов Курс общей физики: дополнительные главы.
• Фролов Б. Число в архаической космологии // Астрономия древних обществ. М., 2002. С. 61—68.
• Чернин А. Д. Звезды и физика. Изд.2. URSS. 2004. 176 с.
• Лоуренс Краусс. Почему мы существуем. Величайшая из когда-либо рассказанных историй = Krauss. The Greatest Story Ever Told — So Far: Why Are We Here?. — М.: Альпина Нон-фикшн, 2018. — ISBN 978-5-91671-948-2.

История космологии: древнейший период

Человек задумывался об устройстве окружающего мира с незапамятных времен. Наиболее ранние представления о строении и законах Вселенной можно обнаружить в сказках и легендах разных народов мира.

Считается, что регулярные астрономические наблюдения впервые стали практиковаться в Месопотамии. На этой территории последовательно проживали несколько развитых цивилизаций: шумеры, ассирийцы, персы. О том, как они представляли себе Вселенную, мы можем узнать из множества клинописных табличек, найденных на месте древних городов. Первые записи, касающиеся движения небесных тел, датируются VI тысячелетием до нашей эры.

Небесный диск из Небры. Он датируется XVII веком до н. э. Считается, что этот артефакт использовался для астрономических наблюдений

Из астрономических явлений шумеров больше всего интересовали циклы – смены времен года и фаз луны. От них зависел будущий урожай и здоровье домашних животных, следовательно, и выживание человеческой популяции. Из этого был сделан вывод о влиянии небесных тел на процессы, происходящие на Земле. Стало быть, изучая Вселенную, можно предсказывать свое будущее – так родилась астрология.

Шумеры изобрели шест для определения высоты Солнца, создали солнечный и лунный календарь, описали основные созвездия, открыли некоторые законы небесной механики.

Значительных высот наука о небе достигла в Древнем Китае. Здесь еще в III тысячелетии до н. э. появилась должность придворного астронома, а в XII веке до н. э. были открыты первые обсерватории. О солнечных затмениях, пролетах комет, метеоритных потоках и других интересных космических событиях древности мы в основном знаем из китайских летописей и хроник, которые скрупулёзно велись на протяжении столетий.

В большом почете астрономия была у эллинов. У них изучением этого вопроса занимались многочисленные философские школы, каждая из которых, как правило, имела собственную систему Вселенной. Греки первыми выдвинули предположение о шарообразной форме Земли и о вращении планеты вокруг собственной оси. Астроном Гиппарх ввел в оборот понятия апогея и перигея, эксцентриситета орбиты, разработал модели движения Солнца и Луны, высчитал периоды обращения планет. Большой вклад в развитие астрономии внес Птолемей, которого можно назвать творцом геоцентрической модели Солнечной системы.

Геоцентрическая модель Птолемея. На протяжении столетий люди считали, что Земля — это центр Вселенной

Больших высот в изучении законов Вселенной достигла цивилизация майя. Это подтверждают результаты археологических раскопок. Жрецы умели предсказывать солнечные затмения, они создали совершенный календарь, построили многочисленные обсерватории. Астрономы майя наблюдали ближайшие планеты и смогли точно определить их периоды обращения.

Эволюция мироздания или что происходило после Большого взрыва

Теория Большого взрыва позволила ученым создать точную модель эволюции Мироздания. И сегодня мы неплохо знаем, какие процессы происходили в молодой Вселенной. Исключение составляет лишь самый ранний этап творения, который по-прежнему остается предметом яростных обсуждений и споров. Конечно, для достижения подобного результата одной теоретической основы было недостаточно, понадобились годы исследований Вселенной и тысячи экспериментов на ускорителях.

Эволюция Вселенной: от Большого взрыва до наших дней

Сегодня наука выделяет следующие этапы после Большого взрыва:

1. Самый ранний из известных нам периодов называется Планковской эрой, он занимает отрезок от 0 до 10-43 секунд. В это время вся материя и энергия Вселенной была собрана в одной точке, а четыре основных взаимодействия были едины;
2. Эпоха Великого объединения (с 10−43 по 10−36 секунд). Она характеризуется появлением кварков и разделением основных видов взаимодействий. Главным событием этого периода считается выделение гравитационной силы. В эту эру начали формироваться законы Вселенной. Сегодня мы имеем возможность для подробного описания физических процессов этой эпохи;
3. Третий этап творения называется Эпохой инфляции (с 10−36 по 10−32). В это время началось стремительное движение Вселенной со скоростью, значительно превосходящей световую. Она становится больше, чем современная видимая Вселенная. Начинается охлаждение. В данный период окончательно разделяются фундаментальные силы мироздания;
4. В период с 10−32 по 10−12 секунды появляются «экзотические» частицы типа бозона Хиггса, пространство заполнила кварк-глюонная плазма. Промежуток с 10−12 по 10−6 секунды называется эпохой кварков, с 10−6 по 1 секунду – адронов, в 1 секунду после Большого взрыва начинается эра лептонов;
5. Фаза нуклеосинтеза. Она длилась примерно до третьей минуты от начала событий. В этот период во Вселенной из частиц возникают атомы гелия, дейтерия, водорода. Продолжается охлаждение, пространство становится прозрачным для фотонов;
6. Через три минуты после Большого взрыва начинается эра Первичной рекомбинации. В этот период появилось реликтовое излучение, которое астрономы изучают до сих пор;
7. Период 380 тыс. – 550 млн лет называют Темными веками. Вселенная в это время заполнена водородом, гелием, различными видами излучения. Источников света во Вселенной не было;
8. Через 550 млн лет после Сотворения появляются звезды, галактики и прочие чудеса Вселенной. Первые звезды взрываются, освобождая материю для образования планетных систем. Данный период называется Эрой реионизации;
9. В возрасте 800 млн лет во Вселенной начинают образовываться первые звездные системы с планетами. Наступает Эра вещества. В этот период формируется и наша родная планета.

Исторические аспекты становления данной науки

Ещё в начале XX века, перед тем как заявить о своем открытии, учёный должен был не только теоретически, но и практически доказать уникальность результатов. Но вернемся в древние века, когда люди только начинали делать свои первые шаги в астрономии. Ещё в Древнем Египте, Китае, Индии, Греции ученые занимались наблюдением за небесными явлениями. Благодаря этому был создан лунный календарь, по которому очень длительное время ориентировались жители Земли.

Античная космология была основана на различных мифах и легендах. Аристотель был основателем теории гомоцентрических сфер: наша планета лежит на поверхности полой сферы, центр которой является центром Земли. Именно поэтому тогда была очень популярна модель божественного происхождения Земли. В дальнейшем происходило изменение учений с каждым последующим веком. Древние физики утверждали, что вокруг Земли происходит движение планет, а сама она находится непосредственно в центре самой Вселенной. Однако все это было лишь теорией, практических подтверждений на тот момент не было.

Модель Фридмана и несостоятельность Лямбда-члена

В 1922-м году выдающийся советский физик Александр Фридман опубликовал свою научную работу, в которой описывалась нестационарная модель Вселенной. Основываясь на уравнениях ОТО, Фридман вывел несколько уравнений, которые в зависимости от принимаемых параметров прогнозируют несколько сценариев эволюции Вселенной. В случае со значением космологической постоянной существует три варианта, каждый из которых не предусматривает стационарную Вселенную:

• Λ < 0 – в таком случае имеют место лишь силы притяжения. По этой причине в некоторый момент Вселенная начнет сжиматься.
• Λ > 0 – Вселенная постепенно расширяется, при этом скорость самого расширения возрастает.
• Λ = 0 – эволюция Вселенной зависит от изначального значения плотности вещества. Отсюда также вытекает три варианта развития событий: торможение расширения и последующее обращение в сжатие, монотонное расширение с мизерным уменьшением скорости либо вовсе бесконечное.

Сценарии эволюции Вселенной по Фридману

Так или иначе, первое время космологическая модель Фридмана была раскритикована А.Эйнштейном, так как в случае с эволюционирующей Вселенной космологическая константа могла бы без последствий быть изъята из уравнений ОТО. Спустя несколько лет, в 1927-м году бельгийский астроном Жорж Леметр, наблюдая за галактиками различной удаленности, определил, что Вселенная расширяется. Еще позже, в 1929-м году американский астрофизик Эдвин Хаббл сформулировал свой одноименный закон, описывающий расширение Вселенной, которое также смог определить по красному смещению в спектре галактик. В результате упомянутых открытий А.Эйнштейн был вынужден принять модель Вселенной Фридмана. С того времени Лямбда-член в уравнениях ОТО в масштабах космологии не учитывался, а в других областях не делал заметный вклад в уравнения, а потому вводился лишь в связи с эстетическими взглядами самих ученых.

Составление ОТО

В период с 1915-й по 1916-й год А.Эйнштейн опубликовал свою величайшую работу, наиболее успешную теорию гравитации, ставшей фундаментом для космологии, применяемую и по сей день, в том числе Международным астрономическим союзом – общую теорию относительности (ОТО). В рамках этой теории А.Эйнштейн вывел уравнение, которое связывает кривизну пространства-времени с материей, веществом, заполняющим рассматриваемую искривленную область. Как и большинство физиков-теоретиков, великий ученый стремился свести свое уравнение к максимально простому виду, что собственно у него успешно получилось.

Работая над ОТО, А.Эйнштейн заметил один недостаток – согласно его уравнениям Вселенная должна либо расширяться либо сжиматься, что противоречило астрономическим наблюдениям и представлениям о Вселенной того времени. По этой причине им был введен дополнительный множитель, безразмерная константа, задача которой состояла в том, чтобы противостоять силам тяготения, гравитации, то бишь действовать в обратном направлении. Таким образом, А.Эйнштейн смог получить решение для статической и неизменной Вселенной. Значение же космологической постоянной, иначе Лямбда-члена (в силу обозначения константы греческой буквой Лямбда), предполагалось достаточно мизерным, чтобы не замечать его проявление в природе.

Черная дыра — еще одно открытие Теории относительности

Возраст, размеры и состав

Масштабы Вселенной потрясают: они намного больше, чем мы могли представить двадцать или тридцать лет назад. Ученые уже обнаружили около пятисот миллиардов галактик, и число постоянно увеличивается. Каждая из них вращается вокруг собственной оси и удаляется от других на огромной скорости из-за расширения Вселенной.

«Умирающая» звезда. Яркие участки — это потоки извергающегося газа

Квазар 3C 345 – один из самых ярких объектов во Вселенной – расположен от нас на удалении в пять миллиардов световых лет. Человеческий разум даже представить не может подобные расстояния. Космическому кораблю, движущемуся со световой скоростью, понадобится тысяча лет, чтобы облететь наш Млечный путь. До галактики Андромеды ему пришлось бы добираться 2,5 тыс. лет. А ведь это ближайшая соседка.

Говоря о размерах Вселенной, мы имеем ввиду ее видимую часть, называемую еще Метагалактикой. Чем больше результатов наблюдений мы получаем, тем дальше раздвигаются границы Вселенной. Причем происходит это одновременно по всем направлениям, что доказывает ее сферическую форму.

Исходя из скорости света можно предположить, что ее размеры также составляют 13,8 млрд световых лет. Однако на самом деле они больше, ибо с момента рождения Вселенная непрерывно расширяется. Часть движется со сверхсветовой скоростью, из-за чего значительное количество объектов во Вселенной останутся невидимыми навеки. Данный предел называются сферой или горизонтом Хаббла.

«Столпы творения» — одно из самых известных фото телескопа Хаббл. На самом деле, они представляют собой потоки газа и пыли в Туманности Орла

Диаметр Метагалактики составляет 93 млрд световых лет. Мы не знаем, что находится за пределами известной Вселенной. Может быть, существуют и более далекие объекты, недоступные сегодня для астрономических наблюдений. Значительная часть ученых верит в бесконечность Вселенной.

Возраст Вселенной неоднократно проверялся с использованием различных методик и научных инструментов. Последний раз его подтвердили с помощью орбитального телескопа «Планк». Имеющиеся данные полностью соответствуют современным моделям расширения Вселенной.

Из чего состоит Вселенная? Водород – самый распространенный элемент во Вселенной (75%), на втором месте находится гелий (23%), на остальные элементы приходятся ничтожные 2% от общего количества вещества. Средняя плотность — 10-29 г/см3, значительная часть которой приходится на так называемую темную энергию и материю. Зловещие названия не говорят об их ущербности, просто темная материя, в отличие от обычной, не взаимодействует с электромагнитным излучением. Соответственно, мы не можем наблюдать ее и делаем свои заключения только по косвенным признакам.

Космогония и космология

Космогонию можно отличить от космологии, задача которой заключается в изучении Вселенной в целом на протяжении всего её существования. Существует некоторая неопределённость между этими двумя терминами, например, космологический аргумент из теологии о существовании Бога является обращением к космогонии, а не к космологическим идеям. На практике существует научное различие между космологическими и космогоническими идеями. Физическая космология — это наука, которая пытается объяснить все наблюдения, имеющие отношение к развитию и характеристике Вселенной в целом. Вопросы же о том, почему Вселенная ведёт себя таким образом, считаются вненаучными, хотя и основываются, в том числе, на экстраполяции различных научных теорий на непроверенные или косвенно подтверждённые гипотезы, а также философские или религиозные идеи.