16.3. Космологическая парадигма
Но чуть раньше, в 1905 г. А.Пуанкаре и А.Эйнштейн практически одновременно опубликовали свои статьи, в которых содержалось то, что позднее стало называться Специальной Теорией Относительности Эйнштейна. В физике начался отсчет новой эпохи.
Анализ распространения света в движущихся средах со всей убедительностью показал, что отныне пространство и время нельзя рассматривать как сущности, отдельные друг от друга. Они объединены в то, что стали называть плоским четырехмерным пространством-временем Минковского.
Таким образом, Специальная Теория Относительности прекрасно объяснила физику электромагнитного поля. Но гравитационное поле (тяготения) из общей картины по-прежнему выпадало. В поисках адекватного описания гравитации пути А.Эйнштейна и А.Пуанкаре радикально разошлись.
А.Пуанкаре предположил, что поле тяготения должно быть аналогично электромагнитному в главном, оно - реальное физическое поле, находящееся в том же самом плоском пространстве-времени Минковского. Однако, оно сложнее, для его описания недостаточно векторного представления, а нужно привлечь тензоры. До времени мы отложим изложение того, что было достигнуто им и его последователями при разработкеполевой теории гравитации.
Как известно, широчайшую популярность снискали себе работы А.Эйнштейна. Он начал искать объяснение гравитационному полю, предположив, что то возникает из-за деформаций пространства-времени. (Эти деформации могут быть описаны с привлечением того же тензорного анализа). Чем сильнее концентрация массы в данном месте, тем сильнее изогнуто пространство-время, тем сильнее гравитационное поле. Эти идеи легли в основу Общей Теории Относительности (геометрической теории гравитации), а далее современной космологии, изучающей происхождение и эволюцию нашей Вселенной.
Важнейший исходный постулат Эйнштейна сводится к тому, что единого абсолютного пространства и времени не существует, каждый наблюдатель имеет свое время. Не существует во Вселенной также и избранной системы координат, относительно которой можно было бы единообразно упорядочить все объекты и измерить их скорости.
При построении теоретических моделей, описывющих сферическое искривленное пространство-время для всей нашей Вселенной (в предположении однородного распределения массы содержащихся в ней небесных тел), оказалось, что они могут быть трех сортов (модели Фридмана):
- открытые (гиперболические), когда пространство-время беспредельно расширяется;
- закрытые (сферические), пульсирующие и коллапсирующие модели, и
- модели с бесконечным плоским эвклидовым пространством, которое также расширяется.
Последняя разновидность моделей получается только при очень специальном выборе параметра - средней плотности вещества во Вселенной. Это конкретное значение называется критической плотностью и равно 10-29 г/см3.
Итак, в общем случае модельные вселенные оказались нестационарными, расширяющимися или сжимающимися. Более того, в настоящее время считается доказанным, что неотъемлемым свойством моделей, построенных на основе Общей Теории Относительности (ОТО), является их сингулярность, то есть либо первоначальный разлет Вселенной из одной точки, либо будущий ее коллапс в одну точку.
Как нельзя кстати, в 1929 г., Е.Хаббл сделал свое эпохальное открытие: исследуя спектры примерно 30 ближайших галактик, он установил, что так называемое красное смещение линий в их спектрах прямо-пропорционально расстоянию от нас. Самым популярным истолкованием красного смещения является эффект Допплера, благодаря которому свет приближающегося источника синеет, а удаляющегося краснеет, причем этот эффект пропорционален скорости движения источника. Получалось, что галактики разлетаются во все стороны, и с тем большей скоростью, чем дальше от нас они находятся.
Поэтому не удивительно, что вновь открытый закон Хаббла сразу же стал трактоваться как свидетельство наблюдаемого расширения пространства Вселенной, предсказанного уже упомянутыми моделями. Сторонники Общей Теории Относительности праздновали ее триумф. Тем более, что за все последующие годы происходило только уточнение закона Хаббла и расширение сферы его применимости. Он справедлив во всем пространстве метагалактики, то есть наблюдаемой части Вселенной.
Если Вселенная расширяется, то обратив взоры в прошлое, мы должны бы заметить какие-то проявления того первичного толчка, благодаря которому это движение началось. В 1948 г. Г.Гамов предположил, что первичное состояние Вселенной было очень горячим. В тот момент, когда вещество и излучение во вновь родившейся Вселенной оторвались друг от друга, их температура была 10 тысяч градусов. Допустив, что из-за расширения пространства произошло охлаждение горячих квантов, можно было их отождествить с наблюдаемым фоном микроволнового излучения, обладающего огромной степенью однородности. Как известно, спектр этого излучения, именуемого отныне реликтовым, соответствует температуре 2.7 градусов Кельвина. Все это было оценено как еще один триумф ОТО.
Так сложилась современная космологическая парадигма, то есть почти общепринятый взгляд на происхождение Вселенной. Все было бы хорошо, если бы со временем на лучезарном небосводе этой теории не стали появляться все новые и новые темные облачка. Постепенно стало очевидно, что они принесли с собой бурю.
