Теоретические основы модели расширяющейся вселенной

Ключевые положения современной космологии

В области космологии, господствующая роль принадлежит концепции, известной как модель расширяющейся вселенной. Её возникновение обусловлено разработкой общей теории относительности А. Эйнштейном, которая стала краеугольным камнем для построения новых взглядов на устройство космоса. Эта концепция охватывает однородную, изотропную, нестационарную и горячую Вселенную, и опирается на два важных предположения. Первый из них — это универсальный космологический принцип, выдвинутый М. Фридманом, который гласит, что все области пространства обладают единообразными физическими характеристиками, то есть структура и свойства Вселенной не зависят от направления наблюдения или места в пространстве.

Второе основополагающее предположение проистекает из формулировок гравитационного взаимодействия согласно Эйнштейну: оно устанавливает связь между геометрией (кривизной) пространства и концентрацией массы-энергии. Современные релятивистские космологические модели строятся на этих идеях. Одним из определяющих признаков, которыми выделяется модель расширяющейся вселенной, является её динамическое, эволюционное состояние, т.е. отсутствие неподвижности.

Принцип нестационарности базируется на двух основах, представляющих суть специальной и общей теории относительности: принцип относительности всех физических законов и постоянная скорость света во всех инерциальных системах отсчёта, подтверждённая многочисленными опытами. Это гарантирует, что фундаментальные физические уравнения сохраняют свою форму независимо от скорости и направления движения выбранной инерциальной системы.

Руководствуясь вышеописанным космологическим принципом, М. Фридман выявил возможность существования как стационарных, так и эволюционных (нестационарных) решений в уравнениях Эйнштейна. Это означало признание того, что структуры космоса могут не только оставаться неизменными, но и подвержены процессам сжатия или расширения. Особенность этого подхода состоит в том, что речь идет не о движении материальных тел внутри пространства, а именно о расширении самого пространства-времени, в результате чего наблюдается увеличение масштабов между отдельными объектами Вселенной. В работах Фридмана Вселенная сравнивается с оболочкой мыльного пузыря, радиус и площадь которой постоянно возрастают под воздействием внутренних динамических процессов.

Стоит отметить, что изначально гипотеза Фридмана о модели расширяющейся вселенной оказалась недостаточно оценённой со стороны научного сообщества. Первоначально это была сугубо теоретическая концепция, поскольку не существовало достаточных астрономических наблюдений, чтобы подтвердить подобные идеи. Ситуация начала меняться по мере накопления экспериментальных данных, подкрепляющих постулаты о масштабном расширении Вселенной.

Астрономические наблюдения и феномен красного смещения

Один из решающих фактов был установлен в 1929 году благодаря открытиям Эдвина Хаббла. Им был обнаружен так называемый эффект «красного смещения», получивший своё объяснение посредством эффекта Допплера, применимого к электромагнитным волнам.

Результаты наблюдений показали, что все отдалённые галактики совершают движение от наблюдателя, причём скорость этого удаления увеличивается по мере роста расстояния. Именно эта особенность и объясняет наличие «красного смещения» в спектрах далёких объектов. Последние астрономические измерения показывают, что скорость этого процесса составляет примерно 55 км/с на миллион парсек. Наблюдаемое, фиксируемое для всех внегалактических источников излучения, линейное возрастание смещения с увеличением дистанции стало ключевым экспериментальным аргументом в пользу гипотезы расширяющейся Вселенной.

Таким образом, вывод о том, что Вселенная обладает свойством нестационарности и гигантскими размерами, насчитывающими миллиарды парсек, был впервые подтверждён эмпирическим путём. В своей работе Хаббл сформулировал идею, что наша Галактика — это лишь одна из многих, населяющих космическое пространство. Большое значение имеет то, что разделяющие галактики дистанции постепенно увеличиваются, формируя тем самым структуру мира согласно новой космологической доктрине. Всё это дало прочную теоретическую и наблюдательную базу современной модели расширяющейся вселенной.

Возможные модели эволюции структуры Вселенной

В своих работах М. Фридман сформулировал два наиболее вероятных сценария развития структуры Вселенной от начального сингулярного состояния к нынешней экспансионной фазе. Первый из них — это непрерывный рост радиуса кривизны Вселенной, начинающийся с нуля, что подразумевает бесконечное расширение пространства (открытая модель).

Второй сценарий — циклический, при котором Вселенная после достижения определённого максимального радиуса вновь начинает сжиматься, возвращаясь к состоянию сингулярности. Далее стартует очередной цикл расширения, и так продолжается неограниченное число раз, что соответствует концепции периодически "пульсирующей" Вселенной.

Экспериментальные данные Хаббла о постоянно возрастающей скорости разбегания галактик послужили фундаментом вывода о том, что модель расширяющейся вселенной корректно описывает динамику реального космоса. Отсюда следует, что весь наблюдаемый космос развивается во времени и имеет начало, а возможно, и конец.

Постоянная Хаббла является основным инструментом для оценки длительности эпизода расширения. Современные космологические расчёты ограничивают возраст расширяющейся Вселенной диапазоном от 10 до 19 миллиардов лет. Оптимальной оценкой считается величина, близкая к 15 миллиардам лет.

Следует подчеркнуть, что все схемы, описанные в рамках теории Фридмана, носят приближённый характер и ограничены областью применения. На сверхмалых пространственно-временных интервалах квантовые эффекты становятся доминирующими, а потому классическая модель расширяющейся вселенной более не адекватна. На этих масштабах появляется представление о космологических сингулярностях, напр., о происхождении Вселенной из безразмерной точки.

Современное представление о начале эволюции космоса связано с идеей Большого взрыва, который, согласно оценкам, произошёл 12–18 миллиардов лет назад. Такое описание формируется исторически на основе предложенной Ж. Леметром модели возникшей из "первобытного атома" Вселенной. Хотя изначальная формулировка концепции сегодня утратила самостоятельное научное значение, идея стремительного начального расширения положила начало рассмотрению эволюции материи во Вселенной с точки зрения физической закономерности и наблюдательной астрономии.