Происхождение Вселенной
Современные космологические модели Вселенной базируются на общей теории относительности Эйнштейна, в соответствии с которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной, свойства которой обусловлены прежде всего средней плотностью материи.
Современная космология строит модели Вселенной исходя из уравнения тяготения общей теории относительности А.Эйнштейна. Оно имеет много решений. Первую модель разработал сам А. Эйнштейн в 1917 году. Эта модель имеет стационарный характер: Вселенная стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве. В 1922 г. российский математик и геофизик А.А. Фридман дал своё решение уравнения общей теории относительности А.Эйнштейна, имеющее три варианта. Он установил, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться или сжиматься. В случае, когда средняя плотность вещества и излучения равна критической величине, то мировое пространство является евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Если же средняя плотность меньше критической, то пространство обладает геометрией Н.И. Лобачевского и так же неограниченно расширяется. И, в-третьих, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение Вселенной на определенном этапе сменяется сжатием и продолжается вплоть до точечного, сингулярного состояния.
Как показывают объективные данные, плотность Вселенной меньше критической, т.е. более вероятна модель второго типа с временем Н.И. Лобачевского и бесконечным расширением. Расширение Вселенной считается установленным фактом в результате обнаружения эффекта К.Доплера - «красного смещения». Доплер обнаружил, что если источник света приближается, спектральные линии смещаются в сторону более коротких волн, если удаляется - в сторону более длинных (красных) волн. Красное смещение возникает, когда расстояние между источником излучения и его приемником увеличивается (эффект К.Доплера).
В 1929 г. Э.П.Хаббл обнаружил, что все галактики движутся от нас со скоростью, возрастающей пропорционально расстоянию, что также убедительно свидетельствует о расширении Вселенной.
В соответствии с этой моделью Вселенная возникла спонтанно, в результате взрыва из состояния с очень большой плотностью и энергией (состояние сингулярности). По мере расширения температура Вселенной снижалась от очень большой до низкой, при которой возникли условия для образования звезд и галактик. В течение 1 млн. лет температура достигала больше нескольких тысяч градусов, при которых не могут образоваться атомы. И космическое вещество имело вид разогретой плазмы, состоящей из ионизированного водорода и гелия. И только когда температура Вселенной снизилась до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы. Эта модель горячей Вселенной экспериментально подтвердилась в результате открытия в 1965 г. реликтового излучения - микроволнового фонового излучения.
На вопрос о причинах «большого взрыва» предлагает ответ гипотеза инфляционной Вселенной, в основе которой лежит представление о наличии сил космического отталкивания гигантской величины, способных не только компенсировать гравитационное притяжение, но и разорвать начальное состояние материи и вызвать её расширение, продолжающееся и по настоящее время.
В соответствии с этой моделью начальное состояние Вселенной было вакуумным. Физический вакуум - это самое низкое энергетическое состояние всех полей, форма материи, лишенная вещества и излучения. Вместе с тем вакуум отличается активностью, возникновением и уничтожением виртуальных частиц и способностью находиться в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями и давлениями, причем эти давления отрицательные. Возбужденное состояние такого вакуума называют «ложным вакуумом», который может создавать огромную силу космического отталкивания. Именно эта сила вызвала стремительное раздувание «пузырей пространства» (зародышей одной или нескольких Вселенных), в которых концентрировались огромные запасы энергии. Этот тип раздувания Вселенной назвали инфляцией (от лат. «раздувание»). Быстрое расширение означает, что все части Вселенной разлетаются, как при взрыве. По существу это и есть «большой взрыв».
Фаза инфляции ограничена во времени. Отрицательный (ложный) вакуум не устойчив и стремится к распаду. При завершении распада отталкивание исчезает, прекращается инфляция и Вселенная попадает во власть обычного гравитационного притяжения. Но под воздействием первоначального импульса, полученного в процессе инфляции, расширение Вселенной продолжается, хотя и постепенно замедляется. В начале фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной, но в конце фазы огромные запасы энергии в исходном физическом вакууме высвободились в виде излучения, которое моментально нагрело Вселенную до температуры 10 в 27 степени К. Отсюда начинается эволюция «горячей вселенной». Благодаря энергии возникло вещество и антивещество, затем в процессе остывания Вселенной имели место фазовые периоды, при которых постепенно возникают все её наблюдаемые элементы. Инфляционная модель разработана пока только частично, но она дает удовлетворительное объяснение фундаментальных космологических закономерностей.