Концепция расширения Вселенной

Современная космология возникла в начале XX в. Важное значение для развития космологии имело создание об­щей теории относительности. Первым попробовал применить эту теорию к объяснению строения мира сам Эйнштейн (1917). Введя в гравитационные уравнения произвольную космологическую постоянную, он получил модель статической, т.е. неизменной во времени Вселенной с конечным радиусом. В 1920-1922 гг. советским ученым Фридманом было предложено иное решение гравитационных уравнений Эйнштейна, при котором необходимость в космологической постоянной отпадала. Согласно Фридману, Вселенная нестационарна, т.е. изменяется во времени. Как один их возможных вариантов нестационарности рассматривалось расширение, при котором галактики удаляются друг от друга.

Существуют три модели, для которых справедливо решение гравитационных уравнений, полученных Фридманом:

1 - Вселенная расширятся достаточно медленно, так что в силу гравитационного притяжения происходит замедление и прекращение расширения, заменяющееся сжатием; 2 - расширение Вселенной происходит так быстро, что гравитационное притяжение не может его остановить; 3 - скорость расширения Вселенной мала, ее достаточно только для того, чтобы избежать сжатия до нуля (коллапса).

Созданию современной картины Вселенной во многом способствовали исследования американского астронома Э. Хаббла (1889-1953), показавшего в 1924 г., что наша Галактика не единственная, а существует множество других галактик, разделенных огромными областями пустого пространства. Доказав существование других галактик, Хаббл все последующие годы посвятил составлению каталогов расстояний до этих галактик и наблюдению их спектров. В 1929 г. Хаббл установил, что свет, идущий от далеких галактик, смещается в красную сторону спектра. Это явление, известное как красное смещение, согласно эффекту Доплела, свидетельствовало об удалении галактик от наблюдателя.

Хаббл обнаружил также, что величина красного смещения не случайна, а прямо пропорциональна расстоянию от нас до галактики. Таким образом, было установлено, что Вселенная не является статической, а расширяется. Открытие Хаббла подтвердило правильность выводов Фридмана о расширении Вселенной. Открытие расширения Вселенной было одним из великих интеллектуальных переворотов XX в.

Модели Фридмана явились основой всего последующего развития космологии. Они описывают механическую картину движения огромных масс Вселенной и ее глобальную структуру и являются по своей сути эволюционными, связывающими сегодняшнее состояние Вселенной с ее предыдущей историей. В частности, из этой теории следует, что в далеком прошлом Вселенная была совсем не похожа на наблюдаемую нами сегодня. Тогда не было ни отдельных небесных тел, ни их систем, все вещество было почти однородным, очень плотным, быстро расширялось. Только значительно позже из такого вещества возникли галактики и их скопления.

Открытие расширения Метагалактики свидетельствует о том, что в прошлом она была не такой, как сейчас, и иной станет в будущем, т.е. Метагалактика развивается.

Начиная с конца 40-х годов нашего века все большее внимание в космологии привлекает физика процессов на разных этапах космологического расширения. В выдвинутой в это время Г.А. Гамовым (1904-1968) теории горячей Вселенной рассматривались ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной в очень плотном веществе. При этом предполагалось, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Теория предсказывала, что вещество, из которого формировались первые звезды и галактики, должно состоять в основном из водорода (75%) и гелия (25%), примесь других химических элементов незначительна. Другой вывод теории - в сегодняшней Вселенной должно существовать слабое электромагнитное излучение, оставшееся от эпохи большой плотности и высокой температуры вещества. Такое излучение в ходе расширения Вселенной было названо реликтовым излучением.

К тому времени появились принципиально новые наблюдательные возможности в космологии: возникла радиоастрономия, расширились возможности оптической астрономии. Сейчас Вселенная вплоть до расстояний в несколько парсек исследуется разными методами. В 1965 г. экспериментально наблюдалось реликтовое излучение. Это открытие подтвердило справедливость теории горячей Вселенной.