Глава 31.Конечность и бесконечность Вселенной.

Наука, которая изучает Вселенную как единое целое, называется космологией.

Взгляд человека, вооруженный достижениями техники, в настоящее время способен проникать до самых отдаленных уголков наблюдаемого космоса. Все пространство, которое доступно человеку для наблюдений, условились называть Вселенная.

Существование начала Вселенной было определено религией, как божественный акт творения. Но если у какого-либо объекта или явления есть начало – будет ли данное явление или данный объект конечным? Над вопросом, есть ли у Вселенной конец, размышляли многие философы и ученые в истории человечества. Это вопрос по наследству от предков достался и современному поколению.

Рис. 31/1. Эдвин Хаббл.

В 1929 году Хаббл сообщил об открытии им фундаментальной закономерности. Он обнаружил, что линии спектров всех наблюдаемых галактик, за исключением самых близких из них, смещены в красную сторону спектра. Явление смещения линий называется эффектом Доплера, и характеризует скорость движения объекта вдоль луча зрения наблюдателя.

Рис.31/2. Эффект Доплера – смещение линий спектра в красную область.

Хаббл также выяснил, что чем слабее наблюдается галактика, тем сильнее смещены ее спектральные линии. Поскольку слабый блеск галактики в общем свидетельствует об ее большей удаленности, то чем дальше галактика, тем выше скорость ее движения в противоположную от нас сторону, то есть, скорость удаления галактики пропорциональна ее расстоянию. Исследовав практически все наблюдавшиеся на тот момент времени галактики, Хаббл пришел к выводу, что это является фундаментальным законом Вселенной. Теперь он носит название закона Хаббла.

Принятие закона Хаббла должно неизбежно приводить к выводу, что все галактики (или материя, из которой они сформировались) некогда в прошлом (как давно, это зависит от величины коэффициента пропорциональности) вылетели одновременно, но с разными скоростями из некоторого сравнительно малого объема.Вывод Хаббла об имевшем место начальном моменте существования всей наблюдаемой Вселенной настораживал многих астрономов и вызывал у них недоверие к закону Хаббла. Радикально настроенным ученым казалось, что этот вывод прямо подтверждает религиозные воззрения о божественном акте творения. Но попытки игнорировать закон, основанный на точных наблюдениях, никогда не приводят к научному прогрессу. В наши дни закон Хаббла неоднократно подтверждался и проверялся различными методами наблюдений и исследований, и признан справедливым.

Закон Хаббла в общем виде выражается формулой v = H*r, где Н – некоторый коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Хаббла. Именно этот коэффициент и определяет возраст наблюдаемой Вселенной, поэтому его установлению и уточнению было посвящено много разных работ.

Рис.31/3. Галактика NGC4321, сыгравшая большую роль при определении константы Хаббла.

Разные печатные и интернет-источники дают разные значения константы Хаббла. На 2016 год эта величина была уточнена до 66,93 ± 0,62 (км/с)/Мпс. Встречается также величина около 60 км/с*Мпс. Таким образом, в современную эпоху две галактики, разделенные расстоянием в 1 Мпс, в среднем разлетаются со скоростью около 60 - 70 км/с. По уточненной константе Хаббла возраст Вселенной составляет около (4,354 ± 0,012)·10¹⁷ с или (13,798 ± 0,037)·10⁹ лет.

Теоретические основы космологии, заложенные А. Эйнштейном, опираются на два главных наблюдаемых явления.

Рис.31/4. Альберт Эйнштейн.

Первое состоит в том, что галактики распространены по небу равномерно, если не считать области вдоль плоскости галактического экватора, где облака диффузной материи поглощают их свет, делая для нас невидимыми. Второе важное наблюдаемое явление – закон разбегания галактик во все стороны со скоростями, пропорциональными их расстояниям. Сопоставление этих наблюдаемых явлений приводит к выводу, что Вселенная, когда-то образовавшись, подобна однородному расширяющемуся шару.

Если при данной скорости расширения плотность материи в шаре достаточно велика, то гравитационные силы (силы притяжения) будут в состоянии замедлить, а потом и вовсе остановить расширение, и сменить его сжатием. Если же плотность материи мала, и гравитационные силы, следовательно, слабы, то процесс расширения никогда не прекратится, Вселенная будет расширяться безгранично, и средняя плотность материи в ней будет стремиться к нулю.

Существует, очевидно, некоторое критическое значение плотности материи во Вселенной ρ₀. Если при действующей в настоящее время постоянной Хаббла Н средняя плотность материи во Вселенной будет больше данного критического значения, то когда-то в будущем расширение Вселенной закончится и сменится сжатием. Если же средняя плотность материи равна ρ₀ или меньше, то экспансияВселенной будет продолжаться безгранично.

Справедливо и обратное утверждение: если задана некоторая средняя плотность материи, то существует некоторое критическое значение постоянной Хаббла Н₀. Если действительное значение константы Хаббла меньше Н₀, то расширение Вселенной сменится сжатием, если же равно или больше – Вселенная будет расширяться безгранично.

Эти соотношения по смыслу близки к тем, которые связывают среднюю плотность Земли (ее массу) и критическую (вторую космическую) скорость, необходимую телу для того, чтобы оно бесконечно удалялось от Земли.

Согласно законам релятивистской теории Эйнштейна (теории относительности), существуют соотношения между понятиями пространства, материи и времени. Не существует пространства без материи, не существует времени без материи и пространства. Поэтому, если средняя плотность материи больше ρ₀, то гравитация замыкает пространство само на себя. Такую Вселенную принято называть закрытой.

Рис.31/5. Риман (1826 – 1866).

Аналогией для понимания закрытойВселенной служит поверхность сферы – она имеет ограниченную площадь, но на ней не существует ни центральных, ни граничных точек, все точки по своему положению равноправны. Законы геометрии, действующие в такой Вселенной отличаются от привычных нам евклидовых. Такая геометрия называется римановой ( по фамилии математика Римана, создавшего ее).

Если средняя плотность материи в точности равна ρ₀ (что, конечно же, крайне маловероятно), то во всем пространстве Вселенной действуют законы евклидовойгеометрии, и аналогией такой Вселенной может служить плоскость.

Рис.31/6. Н. И. Лобачевский (1792 – 1856)

Если же в природе осуществилась третья возможность, и средняя плотность материи меньше значения ρ₀, то в пространстве бесконечно расширяющейся Вселенной должны действовать законы еще одной системы геометрии – геометрии Лобачевского. Некоторой аналогией такой расширяющейся, или, как говорят, открытой Вселенной, может служить гиперболический параболоид, имеющий седлообразную форму, хотя он имеет центр, а расширяющаяся Вселенная центра не имеет.

Деятельность человека ограничена пока очень малой областью пространства, отклонения от геометрии Евклида ничтожны и не могут быть обнаружены.

Итак, в какой же Вселенной мы живем?

ρ₀= 3Н²/8πG, где Н – константа Хаббла, G– гравитационная постоянная

(G = 6,67408(31)·10⁻¹¹ м³·с⁻²·кг⁻¹, или Н·м²·кг⁻²).

Так как значения константы Хаббла сильно различаются у разных авторов, то и значение критической плотность также различно. Критическая плотность варьирует

5*10^-30-2*10^-29 г/см ³; 10^-29г/см³; 9,31·10⁻³⁰ г/см³.

В 1989 году значение критической плотности считалось приблизительно равным

8*10^-30 г/см³.

По оценкам астрономов, средняя плотность видимого светящегося вещества, а также диффузной материи лежит в пределах от 2*10^-31 до 5*10^-31 г/см³. Эта величина заметно меньше критической плотности. Пока не будет убедительно доказано существование во Вселенной какого-то еще вида материи (энергии), влияющего на величину средней плотности, Вселенная считается открытой.

Мы ответили на вопрос конечности Вселенной в пространстве. По релятивистской теории Эйнштейна(теории относительности) не существует пространства без времени, равно как и времени без пространства. Значит, Вселенная, будучи открытой, то есть, бесконечно расширяющейся, должна быть и бесконечной во времени.