Особенности современной космологии. Нестационарные модели Вселенной. Модель горячей Вселенной. Большой взрыв: инфляционная модель

Вселенная как целое является предметом особой астрономической науки - космологии. В основе космологических моделей лежит три постулата:

А) законы физики и химии, открытые в земных условиях, распространяются на всю Вселенную;

Б) результаты астрономических наблюдений доступной части Вселенной распространяются на всю Вселенную;

В) антропный принцип: нельзя создавать модели Вселенной, которые противоречили бы возможности возникновения в ней разума.

Все модели Вселенной сегодня строятся на базе общей теории относительности А. Эйнштейна (ОТО).

Уравнения гравитационного поля в ОТО представляют собой систему 10 уравнений. В отличие от теория тяготения Ньютона, в которой есть один потенциал – гравитационного поля, который зависит от единственной величины - плотности массы, в теории Эйнштейна гравитационное поле описывается 10 потенциалами и может создаваться не только плотностью массы, но также потоком массы и потоком импульса.

Первую релятивистскую космологическую модель попытался построить сам А. Эйнштейн. Он нашел простейшее решение этих 10 уравнений – стационарное. Получилось, что Вселенная должна была быть пространственно конечной и иметь форму четырехмерного цилиндра.

С критикой предложенной Эйнштейном космологической модели выступил наш отечественный выдающийся математик и физик-теоретик Александр Александрович Фридман (1888-1925). Фридман показал, что теоретическая модель Эйнштейна является лишь частным решением гравитационных уравнений для однородных и изотропных моделей. В общем случае решения зависят от времени. Кроме того, Фридман показал, что решения такой теоретической модели не могут быть однозначными и не могут дать ответа на вопрос о форме Вселенной, ее конечности или бесконечности. Исходя из противоположного постулата (о возможном изменении радиуса кривизны мирового пространства во времени), Фридман нашел нестационарные решения "мировых уравнений" Эйнштейна.

Встретив сначала решения Фридмана с большим недоверием, Эйнштейн затем убедился в его правоте и согласился с критикой молодого физика. Нестационарные решения уравнений Эйнштейна, основанные на постулатах однородности изотропии, называются фридмановскими космологическими моделями.

А. А. Фридман показал, что решения "мировых уравнений" ОТО для Вселенной позволяют построить три возможные модели Вселенной. В двух из них радиус кривизны пространства монотонно растет и Вселенная расширяется (в одной модели - из точки; в другой - начиная с некоторого конечного объема). Третья модель рисовала картину пульсирующей Вселенной с периодически изменяющимся радиусом кривизны. Выбор моделей зависит от средней плотности вещества во Вселенной.

Но определение средней плотности вещества во Вселенной пока не надежно. Во Вселенной могут присутствовать не обнаруженные еще виды материи, дающие свой вклад в среднюю плотность. И тогда на "вооружение" придется брать "закрытую" модель Вселенной, в которой предполагается, что расширение в будущем сменится сжатием.

В основе современных представлений об эволюции Вселенной лежит модель "горячей Вселенной", основы которой были заложены в трудах американского физика русского происхождения Джорджа (Георгия Антоновича) Гамова (1904-1968) и его сотрудниками в конце 40-х годов XX века. Эту концепцию еще называют концепцией "Большого Взрыва". Согласно ей, существует сингулярная точка, которая обладает бесконечной плотностью и бесконечной температурой. Происходит взрыв, и эта бесконечная плотность начинает распространяться во всех направлениях. Уменьшение температуры со временем приводит к возникновению атомов и дальнейшему усложнению материи.

Первая и важнейшая проблема - это проблема того, чем был вызван Большой взрыв? Большой взрыв моделируется т.н. гипотезой инфляционной Вселенной. В основе этой гипотезы - представление о существовании компенсирующей гравитационное притяжение силы космического отталкивания невероятной величины, которая смогла разорвать некое начальное состояние Вселенной и вызвать ее расширение, продолжающееся и по сей день. Кроме того, начальное состояние Вселенной является вакуумным.

Физический вакуум - это форма материи, лишенная вещества и излучения, но характеризующаяся активностью (постоянно "кипит", но не выкипает) и способностью находиться в одним из многих состояний с сильно различающимися энергиями и давлениями, причем эти давления - отрицательные. Отрицательные давления и создают гигантскую силу космического отталкивания, которая и вызывает безудержное и стремительное расширение вселенной.

Подобное расширение Вселенной осуществляется по особому закону: каждые 10^-34сек все области Вселенной удваивают свои размеры, затем этот процесс удвоения продолжается в арифметической прогрессии. Такой тип расширения и был назван "инфляцией". Такое быстрое расширение и означает, что все части Вселенной разлетаются, как при взрыве. А это и есть Большой Взрыв!