Космологічні моделі всесвіту

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

Після створення класичної механіки наукова картина світу грунтувалася на ньютоновских уявленнях про простір, час і гравітації і описувала незмінну в часі, тобто стаціонарну, нескінченну Всесвіт, створену Творцем.

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

Перш за все треба згадати космологічний постулат, згідно з яким встановлюються в обмеженої частини Всесвіту фізичні закони справедливі і для всього Всесвіту. Крім того, вважається аксіомою однорідність і ізотропності великомасштабного розподілу речовини у Всесвіті. При цьому модель еволюції повинна відповідати так званому антропному принципу, тобто передбачати можливість появи на певному етапі еволюції спостерігача (розумної людини).

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

Фрідмановскіх моделі нестаціонарної Всесвіту. Ейнштейнівська модель стаціонарного Всесвіту була спростована в роботах українського вченого А.А. Фрідмана (1888 - 1925). який в 1922 р показав, що викривлене простір не може бути стаціонарним: воно повинно або розширюватися, або стискатися. Можливі три різних моделі зміни радіуса кривизни Всесвіту, що залежать від середньої щільності речовини в ній, причому в 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 дає можливості однозначно вибрати сценарій подальшої еволюції. Ці дві величини виявилися близькі, а експериментальні дані - недостатньо надійні.

Розширення Всесвіту в даний час є обґрунтованим і загальновизнаним фактом, що дозволяє оцінити вік Всесвіту. Відповідно до найбільш поширеними оцінками він становить 10 18 с (18 млрд років). Отже, сучасні моделі припускають «початок» Всесвіту. Як же почалася її еволюція?

Модель гарячого Всесвіту. В основі сучасних уявлень про початкових стадіях еволюції Всесвіту лежить модель «гарячого Всесвіту», або «Великого Вибуху», основи якої були закладені в 40-х роках XX ст. українським вченим, що працювали в США, Г.А. Гаммовим (1904 - 1968). У найпростішому варіанті даної моделі представляється, що Всесвіт виник спонтанно в результаті вибуху з надщільного і надгарячої стану з нескінченною кривизною простору (стану сингулярності). «Горячесть» початкового сингулярного стану характеризується переважанням в ньому електромагнітного випромінювання над речовиною. Це підтверджується експериментально виявлених в 1965 році американськими астрофізиками Пензиасом (р.н.. 1933) і Вільсоном (р.н.. 1936) ізотропним електромагнітним «реліктовим випромінюванням». Сучасні фізичні теорії дають можливість окреслити еволюцію матерії починаючи з моменту часу t = 10 -43 c. Самі початкові моменти еволюції Всесвіту поки 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 відбуваються в ній можуть бути перевірені експериментально і описані теоретично.

У міру розширення Всесвіту щільність речовини в ній зменшується і температура падає. При цьому відбуваються процеси якісних перетворень частинок речовини. У момент 10 -10 с речовина складається з вільних кварків, лептонів і фотонів (див. Розділ III). У міру остигання Всесвіту відбувається утворення адронів, потім виникають ядра легких елементів - ізотопів водню, гелію, літію. Синтез ядер гелію припиняється в момент t = 3 хв. Тільки через сотні тисяч років ядра з'єднуються з електронами, і виникають атоми водню і 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 менше, ніж на справжню епоху, з неоднорідностей газоподібного водню і гелію виникли газові згустки, які фрагментованим і привели до виникнення зірок і галактик.

Питання про винятковість Всесвіту як об'єкта космології залишається відкритим. Поряд з 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, обумовленим рівнем науки і практики.