Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство - Ирина Львовна Радунская

Позже было установлено, что постоянная Хаббла не всегда была постоянной. В начале эволюции Вселенной, когда скорость ее расширения была большей, соответственно большей была и постоянная Хаббла. Поскольку постоянная Хаббла по размерности обратна времени, то ее современное значение можно выразить и при помощи единицы времени. При таком выражении она равна 10-18 единиц, деленных на секунду. Это показывает, что современная скорость расширения Вселенной очень мала. Разбегание Вселенной тормозится силами тяготения, поэтому скорость разбегания постоянно уменьшается.

Результаты работ Фридмана и Хаббла имели огромное влияние на дальнейшее развитие физики и астрономии. Во-первых, увеличилось количество прямых опытных подтверждений справедливости Общей теории относительности. Во-вторых, стала ясна необходимость дальнейших всесторонних исследований эволюции Вселенной. Благодаря Эйнштейну, Фридману и Хабблу родилось новое научное направление — космология — наука, посвященная изучению Вселенной как целого, изучению ее строения, возникновения и дальнейшей судьбы. Изучению эволюции Вселенной.

Первоначально казалось, что новая наука имеет еще более отдаленное отношение к повседневной жизни человечества, чем астрономия. Но со временем оказалось, что это не так. Космология — пограничная область, принадлежащая и физике и астрономии, — оказалась великим стимулятором прогресса науки. Она стала орудием проверки, подтверждающим и отвергающим результаты исследований в весьма удаленной части науки — в физике элементарных частиц и в работах по реализации величественной цели, поставленной Эйнштейном, — в создании единой физической теории, охватывающей весь мир в его единстве и деталях.

Прошлое и будущее

Первоначально космологические исследования касались двух главных вопросов: будущего Вселенной и ее прошлого.

Вопрос о будущем казался более простым. Для ответа на вопрос о том, будет ли Вселенная расширяться вечно, в теории Фридмана достаточно определить только одну величину. Эта величина — средняя плотность массы во Вселенной. Речь идет о полной массе, включающей все виды вещества и все типы полей, ведь энергия в соответствии с теорией относительности связана с массой, обладает вполне определенной массой. Масса, присущая энергии, или энергия, скрытая в массе, могут быть легко пересчитаны одна в другую — они связаны между собой постоянным множителем. Энергия, заключенная в данной порции вещества, получается умножением соответствующей величины массы на квадрат скорости света. При этом, конечно, все три величины — энергия, масса и скорость света — должны быть измерены при помощи одной системы единиц измерения. Например, при помощи международной системы измерения СИ.

Решение Фридмана таково, что если средняя плотность массы Вселенной меньше некоторого критического значения, то Вселенная будет расширяться вечно и скорость ее расширения никогда не обратится в нуль. Если средняя плотность массы Вселенной больше этого значения, то гравитационные силы, силы взаимного притяжения, постепенно за большое, но конечное время замедлят скорость расширения Вселенной до нуля, затем начнется ее сжатие. Уравнения говорили, что сжатие будет продолжаться до тех пор, пока вся масса Вселенной вновь не соберется в бесконечно малом объеме. После этого, вероятно, снова начнется фридмановское расширение. Затем силы тяготения вновь остановят процесс расширения и опять заставят Вселенную сжиматься. Будет ли это продолжаться вечно, не известно и поныне.

Существует предположение, основанное на Втором начале термодинамики, что размахи расширения постепенно затухают, а длительность каждого цикла «расширение — сжатие» возрастает. В каком состоянии и почему прекратится этот процесс и прекратится ли он, еще не известно, как не известно, справедлива ли гипотеза пульсирующей Вселенной. Если же средняя плотность массы Вселенной окажется точно равной своему критическому значению, то Вселенная окажется безграничной, расширяющейся бесконечно долго, но скорость ее расширения постепенно приблизится к нулю. Однако ученые знают, что во всех других случаях, а вероятно, и в этом пограничное решение оказывается неустойчивым и не реализуется в течение сколь-нибудь длительного времени. Случайные, флуктуационные процессы всегда выводят реальные системы и реальные процессы из таких пограничных неустойчивых состояний.

Таким образом, вопрос о будущем Вселенной превратился в конкретную задачу физиков, астрофизиков и астрономов-наблюдателей. Они стремятся определить, какова действительная величина средней плотности массы Вселенной. Задача необычайной трудности. Причем по мере преодоления одних трудностей сразу возникают новые. Ведь для определения средней массы Вселенной необходимо оценить величину массы, содержащуюся в очень большом объеме, и разделить полученную величину на соответствующий объем.

Для того чтобы результат оказался сколь-нибудь надежным, необходимо взять этот объем таким большим чтобы величина массы, заключенной во всех газовых туманностях, во всех звездных скоплениях — галактиках, во всех одиночных звездах и во всех других космических объектах, оказалась равной массе, заключенной в любом другом объеме Вселенной, имеющем ту же величину.

Трудности оценки масс видимых частей туманностей, звездных скоплений и звезд очень велики, но они несравнимо меньше оценки скрытой массы. Вопрос о скрытой массе возник, когда астрофизики попытались на основе астрономических наблюдений оценить массу отдельных галактик и скоплений галактик. Если мысленно разбить объем этих скоплений на одинаковые части, то окажется, что количество галактик в таком объеме, находящемся вблизи центра скопления, максимально и оно плавно уменьшается при переходе к все более удаленным от центра объемам. Измерив относительные скорости галактик, вращающихся вокруг центра скопления, и их размеры, астрофизики могут вычислить силы тяготения, удерживающие галактики на их орбитах, а значит, и полную массу скопления галактик.

Уже первые вычисления и наблюдения показали, что суммарная масса всех звезд в каждой галактике в 10–30 раз меньше той, что дают вычисления по способу, указанному выше. После открытия скоплений скоплений галактик — сверхскоплений — история повторилась. Аналогичные вычисления приводили к значениям массы в сверхскоплениях, в 20 раз превосходящую суммарную массу видимых объектов, входящих в галактики. Так в астрофизике возникло понятие скрытой массы. В понятие скрытой, а точнее, труднонаблюдаемой массы астрономы объединяют массу холодной межзвездной пыли и пылевых облаков, проявляющих свое присутствие только тем, что они поглощают свет звезд и других источников, расположенных за ними. В скрытую массу входит и межзвездный газ, различные виды излучений, невидимые холодные останки звезд, планеты и т. п. Но оценки суммарной массы всех этих типов давали величины, много меньшие, чем следует из расчетов, проведенных на основе наблюдений. Кроме того, остается неясной величина скрытой массы, рассредоточенной в огромных объемах пространства, разделяющего между собой сверхскопления галактик. Неизвестен и вклад черных дыр, таинственных объектов, о которых будет сказано ниже.

В последнее время увеличилась вероятность того, что нейтрино обладают массой покоя. Хотя величина массы каждой из этих частиц, по оценкам, очень мала, их так много, что они могут существенно сдвинуть величину средней плотности масс в сторону ее увеличения. Роль нейтрино в образовании скрытой массы мы более подробно обсудим позже.

Все более точные измерения, все более тонкие