Развивающаяся Вселенная

1.2 Три кита, на которых стоит новая космология.

Судьба любой флуктуации в замкнутой системе предопределена: случайно возникшая упорядоченность неизбежно разрушится в ходе возвращения системы в базовое состояние, к ТДР. При этом высшие формы энергии деградируют, превращаясь в тепло, которое рассеивается. Обобщение подобных представлений на Вселенную приводит к заключению, что ее будущее – это тепловая смерть.

На таких представлениях науки прошлого века была построена стационарная модель Вселенной, просуществовавшая до конца 20-х годов XX века. Развитие такой Вселенной и составляющих ее частей – это однонаправленный процесс деградации, разрушения случайно возникшей упорядоченности на пути возврата к хаосу. Развитие любой изолированной системы – это ее умирание. Стационарная модель Вселенной содержит следствие морально-этического плана: раз жизнь – случайное явление в Природе, то отрицается смысл человеческого существования в ней (в философском плане).

Научные открытия XX века привели к отказу от стационарной модели, вместо нее возникла модель динамичной, развивающейся Вселенной, имеющей начало, прошлое, настоящее и будущее. Иначе говоря, Вселенная имеет историю. Человечество, пока единственный известный нам носитель Разума, существует в этой истории столь короткое время и занимает столь ничтожное пространство в объеме Вселенной, что ему физически не дано увидеть даже самый незначительный эпизод этой истории. Подобно фотовспышке, наши прямые наблюдения выхватывают лишь ничтожное мгновение, в котором Вселенная кажется застывшей в неподвижности.
Главная задача новой космологии состоит в том, чтобы создать надежный метод реконструкции прошлого Вселенной на основе ее современного состояния. Без этого нельзя построить динамичную модель. На что же может опереться наука сегодняшнего дня при проведении столь масштабных реконструкционных работ?
Подобно тому, как в некоторых древнейших мифах Мир стоял, опираясь на трех китов, новейшая космология стоит на трех мощных опорах. Первая из них – наблюдательные данные астрономии и астрофизики, вторая опора – Общая теория относительности (ОТО), третья – физика высоких энергий. Согласно наблюдательным данным современная Вселенная предстает в виде иерархии разномасштабных структур. Наиболее крупная из таких структур – сверхскопление галактик, ее масштаб порядка 100 мегапарсек (Мпс)*.
Новейшие данные указывают на то, что это гигантское образование обнаруживает ячеистую структуру. Пока еще не все ясно в получаемой картине, но возникает убеждение, что Вселенная не есть случайное хаотическое скопление отдельных частей, а нечто цельное в структурном плане. Следующая ступень в космической иерархии структур – скопление галактик. Их масштаб порядка 10 Мпс. Затем идут галактики с масштабом порядка 30 килопарсек (кпс), далее - составляющие галактики звезды. Диаметры звезд меняются от десятка километров в случае нейтронных звезд до десятков и даже сотен миллионов километров в случае звезд-гигантов (например, таких как Бетельгейзе). Звезды – это как бы атомы дискретной структуры Вселенной.
Существуют более крупные образования типа газовых и пылевых туманностей и более мелкие структурные единицы, известные пока что в своих локальных формах, составляющих Солнечную систему (планеты, астероиды , кометы и другие небесные тела). Они дополняют эту далекую от завершения классификацию.

Важнейшим вкладом наблюдательной астрономии в космологию явилось открытие так называемого красного смещения в спектрах удаленных от нас галактик, не входящих в местное скопление. Что это такое?
Возбужденные атомы любого химического элемента излучают свет строго определенных дискретных длин волн. С помощью оптического прибора, называемого спектрографом, излучение исследуемой среды можно разложить по длинам волн и оно предстанет в виде отдельных разноцветных светящихся линий, разделяемых темными промежутками. Цвет линий определяется длиной волны света. С одного края спектра располагаются линии коротковолнового излучения – фиолетовые, синие, голубые, а с противоположного края – длинноволновые линии красных оттенков. В точности как это наблюдается в радуге. Каждому химическому элементу присущ свой спектр, то есть раз и навсегда определенное расположение излучаемых линий по длинам волн. Здесь напрашивается аналогия с отпечатками пальцев человека, присущих данному индивидууму и никому кроме него. Благодаря этому обстоятельству астрофизики безошибочно определяют состав звездных атмосфер и светящихся туманностей, удаленных от нас на сколь угодно большие расстояния.

В 20-е годы ХХ века было установлено, что многочисленные наблюдаемые астрономами небольшие слабо светящиеся расплывчатые туманности на самом деле представляют собой гигантские звездные скопления, удаленные от нас на огромные расстояния. Эти звездные системы назвали галактиками. Приступив к изучению химического состава галактик по излучаемым спектрам, астрономы с удивлением обнаружили, что расположение линий по длинам волн ни на что не похоже. Напрашивалось предположение, что весь удаленный от нас мир состоит из неведомых химических элементов. Но загадка разрешилась просто: хорошо знакомые серии линий (например, водорода) оказались сдвинутыми как одно целое в длинноволновую сторону, в сторону, занимаемую красными линиями. Отсюда и название – красное смещение. Одновременный сдвиг всех спектральных линий в сторону длинных волн объясняется оптическим эффектом Доплера, возникающим при удалении светящегося объекта от наблюдателя. Такой сдвиг тем сильнее, чем выше скорость удаления. Известный американский астрофизик Хаббл (в его честь назван крупнейший телескоп, выведенный на околоземную орбиту) обобщил к 1929 году многочисленные астрономические данные такого рода и пришел к выводу, что галактики "разбегаются" равномерно во все стороны, а это означает, что Вселенная в целом расширяется. Это стало революционным открытием века, положившим начало кардинальным изменениям наших представлений об устройстве Вселенной.

Наблюдательные данные астрономии и астрофизики дают немало других сведений, необходимых как для построения модели динамичной Вселенной, так и для проверки ее справедливости. Об этом речь впереди. Но на одном наблюдательном материале невозможно представить себе прошлое состояние Вселенной. Необходимы надежные знания о гравитации и ее законах, так как гравитация тормозит "разбегание" галактик, необходимо также разобраться в силах, сообщивших галактикам начальную скорость движения и нужную для этого энергию. Современной ступенью таких знаний стала разработанная в 1915 году Альбертом Эйнштейном Общая теория относительности. Со школьной скамьи нас знакомят с более ранней теорией – с классической теорией тяготения Исаака Ньютона. В ней на основании наблюдательных данных устанавливается, что между любыми двумя телами действует сила взаимного притяжения (тяготения), пропорциональная произведению масс взаимодействующих тел и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Классическая теория тяготения позволяет с высокой точностью вычислять взаимные перемещения двух тяготеющих тел, если скорость их движения много меньше скорости распространения света.

Но в рамках классической теории тяготения решить задачу о гравитационном взаимодействии многих тел удается лишь в некоторых частных случаях. Например, в Солнечной системе очень массивное центральное тело, Солнце, на долю которого приходится примерно 99% всей массы системы, взаимодействует с каждой из планет, комет и другими небесными телами, массы которых на несколько порядков меньше солнечной, так, как будто других участников не существует. С каждым из своих "подданных" Солнце без помех осуществляет парное взаимодействие. Влияние же "подданных" друг на друга на фоне такого взаимодействия выглядит как слабое возмущение, учитываемое в форме поправки к основному взаимодействию. Соответствующие расчетные методы составляют предмет классической небесной механики, основанной на ньютоновской теории тяготения.

Классическую небесную механику, блестяще проявившую себя в масштабе Солнечной системы, невозможно распространить на Вселенную. Дело здесь не только в великом множестве взаимодействующих массивных систем, а в качественно новой ситуации. Представления классической теории тяготения опираются на постулат, что пространство и время – это независимые фундаментальные физические понятия, существующие вне связи с веществом. Тяготение определяется силой, которая мгновенно распространяет свое действие на любые тела, обладающие массами. Теория Эйнштейна вносит два принципиальных новшества в классические представления. Известно, что масса тела выступает в двух обличиях. Она либо представляет собой меру притяжения телом других тел (масса тяготения), либо ее следует рассматривать как меру противодействия тела силе, сообщающей ему ускорение (масса инерции). Еще в XIX веке обратили внимание на тот факт, что величины этих двух масс у одного тела одни и те же. Классическая теория не могла объяснить этот факт и совпадение сочли случайным. Эйнштейн исходил из того, что обе массы эквивалентны, это два проявления одного феномена. Утверждение об эквивалентности массы тяготения и инерционной массы означает, что эффекты гравитации и ускоренного движения неразличимы. Отсюда напрашивается вывод, что тяготение – это кажущаяся сила, и эффект тяготения можно создавать или устранять выбором соответствующей системы отсчета. Вывод подтверждается нашим опытом. Мы знаем, что при тренировках космонавтов эффект невесомости на время создается внутри самолета, движущегося по соответственно выбранной траектории его «падения» к Земле. Гравитация как бы исчезает. И наоборот, при ускорении самолета пилот и пассажиры ощущают увеличение своего веса. Перегрузка, в зависимости от величины ускорения, может быть сколь угодно большой.

Второе новшество состоит в том, что теория Эйнштейна рассматривает пространство и время как единый четырехмерный континуум, геометрические свойства которого определяются наличным веществом. Массивное вещество искривляет пространство-время, а радиус кривизны оказывается обратно пропорциональным корню квадратному из плотности массы. В таком пространстве прямая линия не является кратчайшим расстоянием между двумя точками, а траектории световых лучей и движущихся частиц становятся криволинейными. То, что мы считаем силой, вызывающей эффект гравитации, является всего лишь проявлением особенностей геометрических свойств пространства –времени. Тяготение – это следствие геометрических свойств пространственно-временного континуума вблизи массивных тел. Новая гравитационная теория, опирающаяся на такие представления, позволяет математически описать динамику и геометрию любых систем в зависимости от плотности и распределения вещества в них. В том числе это можно сделать и для такой системы, как Вселенная, если только определены ее исходные данные. Подробные сведения о современных взглядах на тяготение, об истории развития этих взглядов и о важнейших астрофизических приложениях ОТО доступно и точно изложены в книге Т. Николсона [18].