Gρt ² ~ 1
Тут G - ньютонівська постійна тяжіння.
Легко перевірити, що стоїть у цьому рівнянні вираз, Що включає три величини, є єдино можливою комбінацією, яка могла б дорівнювати одиниці. Це випливає просто з міркувань розмірності: тільки ця їхня комбінація є безрозмірною, тобто однаковою при будь-якому виборі одиниць виміру.
Щоб отримати оцінку віку світу, Фрідман взяв це співвідношення і скористався ще астрономічними даними про щільність речовини в нашій Галактиці. При цьому він вважав (цілком справедливо), що середня щільність Галактики - це лише верхня межа для середньої щільності Всесвіту, і реальна щільність речовини у світі повинна бути помітно менше тієї, що відома для Галактики.
Якщо взяти в якості ρ середню щільність зоряної речовини Галактики, ~ 10 ^-24 г / см ^3, то з цього співвідношення вийти t ~ 3.10 ¹⁵ сек. Але Фрідман взяв для щільності світу величину в десять тисяч разів меншу, і тоді це співвідношення дає десять мільярдів років.
У теорії Фрідмана з кінцевим віком світу пов'язане один важливий наслідок. За кінцевий час світло проходить кінцеве відстань. Але це означає, що існує принципова межа дальності спостережень: не можна побачити того, що лежить далі відстані, яку світло здатне пройти за десять мільярдів років життя Всесвіту. По порядку величини, це граничну відстань становить десять мільярдів світлових років. Все, що далі, що за цим горизонтом, принципово не наблюдаемо.
Дальність дії сучасних телескопів має той самий порядок величини. Найдальші доступні спостереженню об'єкти (гігантські галактики і квазари) лежать на відстанях якраз біля десяти мільярдів років, майже у самого горизонту світу. Так що практично весь світ, принципово доступний спостереженнями, це реально і спостерігається - майже аж до його горизонту. Спостережувану частину світу іноді називають Метагалактикою («мета» означає «після», «за»).

1.4 Динаміка розширення

Дотримуючись роз'ясненнями Фрідмана, уявімо собі кулю кінцевих розмірів, і нехай щільність речовини в ньому буде однорідною. Такий кулю служить у Фрідмана для ілюстрації динаміки космологічного розширення. І забудемо тимчасово про ейнштейнівської космологічної сталої.
Припустимо, що речовина кулі - це газ якихось частинок, все одно яких. Але потрібно, щоб тиск цього газу було дуже малий. У нехтуванні тиском єдиною силою, що діє на частинки газу, буде їх взаємне притягання. Тяжіння прагне зблизити частинки, і це відповідало б стиску кулі. Але уявімо собі, що куля розширюється. Це можливо, якщо в якийсь початковий момент часу всім частинкам кулі додані швидкості, спрямовані від центру кулі назовні.
Простежимо, наприклад, за рухом будь-якої частки на поверхні кулі. Через доданої їй початкової швидкості ця частка буде віддалятися від центру кулі. Але сила тяжіння, створювана всіма іншими частками, спрямована проти цього руху, вона прагне цей рух зупинити і звернути розширення до стиснення. Значить, рух аналізованої частки буде сповільнюватися, швидкість її віддалення від центру буде з часом убувати. Тобто, тяжіння частинок кулі гальмує його розширення.
Доля розширення визначається, таким чином, протиборством тяжіння і початкового розгону часток. Якщо тяжіння велике, то воно зупинить розширення кулі і змусить куля стискатися. Якщо ж швидкості такі великі, що тяжінню не вдасться з ними впоратися, розширення кулі ніколи не зупиниться і буде відбуватися вічно. Саме такі дві динамічні можливості і існують в теорії Фрідмана стосовно розширення Всесвіту.
Хоча ми міркували про це на прикладі кулі кінцевих розмірів і до того ж керувалися ньютоновскими уявленнями про тяжіння, міркування ці знаходяться в повному якісному згоді з теорією розширення, що випливає з ейнштейнівської загальної теорії відносності. Звичайно, це не випадковий збіг. Так і повинно бути, оскільки між обома теоріями існує глибока і природний зв'язок: ньютонівська динаміка - це окремий випадок ейнштейнівської обший теорії відносності.
Проста зв'язок між щільністю і часом Gρt ² ~ 1, про яку вже говорилося вище, належить випадку плоского тривимірного простору. Це найпростіший варіант не тільки з геометрії, але і по динаміці.
У цьому випадку легко знайти залежність відстаней у світі від віку Всесвіту. Дійсно, щільність - це маса, що припадає на одиницю об'єму. Обсяг кулі радіуса R є 4πR ³ / ^3. Оскільки маса кулі не змінюється з часом, залежність густини від радіуса: ρ ~ 1 / R ^3. Тоді наведене вище співвідношення між щільністю і часом дає: R ~ t ^{2 / _3.}
Цей закон зростання потрібно порівняти з уявним випадком ннерціального розльоту, коли ніякої гравітації взагалі немає, й швидкості руху тіл не змінюються з часом. Інерціальній розліт - це випадок, коли при постійних швидкостях відстані зростають просто пропорційно часу: R ~ t. Як ми бачимо, в реальному випадку, коли тяжіння істотно, розширення відбувається повільніше, ніж за інерцією. Це й означає, що воно сповільнюється з часом.
Чудово, що при малих часах, рахуючи від початку розширення, цей закон монотонного розширення справедливий не тільки в плоскому, а й у викривленому просторі.
А практично цей закон приблизно - і з досить пристойною точністю - вірний всі перші шість-вісім, а то і дев'ять мільярдів років життя Всесвіту.
Фрідман з'ясував, що у найпростішому випадку, коли космологічна стала дорівнює нулю, динаміка і геометрія світу пов'язані один з одним. Виявляється, що необмежене розширення можливе у випадку трьохмірного простору нульової (як у Евкліда) і негативною (як у Лобачевського) кривизни. А звернення розширення стисканням має місце в просторі позитивної кривизни, в гіперсфере. Якщо ж космологічна постійна відмінна від нуля, то виникає можливість необмеженого розширення для всіх трьох варіантів геометрії.
Теорія Фрідмана припускає, що Всесвіт однорідний по розподілу речовини в ній, і це дійсно так. Великомасштабне розподіл галактик однорідний в масштабах 300 мільйонів світлових років і більше. У цих космологічних масштабах - від розміру скриньки однорідності і далі до найбільших відстаням - і може бути застосована теорія Фрідмана.
Вона описує Всесвіт як ціле, і властивості Всесвіту як цілого проявляються лише в самих великих, але цілком доступних спостереженнями, масштабах.
Властивості простору і часу визначаються розподілом і рухом речовини, що заповнює простір. Із цієї базової ідеї загальної теорії відносності випливає, що простір, в якому речовина розширюється, і саме повинно розширюватися. Знайдений Фрідманом закон розширення речовини - це також і закон розширення самого простору світу. Космологічне розширення визначається і управляється речовиною за посередництвом власного тяжіння речовини. Іноді не цілком точно говорять, що всі без винятку відстані в світі збільшуються через космологічного розширення. Це не так. Ніщо на Землі не змінює своїх розмірів, і вона сама не розширюється по «космологічної причини». Не міняють через це своїх розмірів ні планети, ні зірки, ні галактики. На невеликих відстанях галактики можуть і зближуватися один з одним. Наприклад, найближча сусідка нашої Галактики, порівнянна з нею за розмірами та масою, - галактика Андромеди, не віддаляється від нас, а наближається. Відстань до центру цієї галактики від центру нашої Галактики становить два мільйони світлових років, і зближуються ці галактики зі швидкістю сто кілометрів на секунду. Через п'ять-шість мільярдів років їм доведеться зіткнутися одна з одною.
У теорії Фрідмана космологічне розширення відбувається изотропно, тобто однаково в усіх напрямках. Изотропия - це теж властивість симетрії. Незалежність від напрямків або від кутів означає симетрію щодо обертань в просторі. Цим властивістю космологічне розширення володіє в тих же самих великих масштабах, де воно, власне, і відбувається.

1.5 Закон Хаббла

З фрідмановской теорії випливає, що космологічне розширення повинно відбуватися за лінійним законом: у кожен даний момент історії світу швидкість видалення об'єкту, що знаходиться на відстані R від нас, прямо пропорційна цій відстані: V = HR, де Н - постійний коефіцієнт, який не залежить ні від відстані до об'єкта, ні від напрямку на нього на небі. Лінійний закон швидкості є прямий наслідок однорідності і изотропии у світі галактик. Розширення з таким законом швидкості побачить будь-який спостерігач, де б у Всесвіті вона не перебувала і в якому б напрямку він не дивився. Лінійний закон космологічного розширення був відкритий Хабблом в його спостереженнях 1927-1929 рр.. Сам цей закон і постійна Н по справедливості носять з тих пір його ім'я.
Хаббл вже знав - зі своїх власних досліджень, - що Всесвіт - це світ галактик. У його розпорядженні був телескоп обсерваторії Маунт Вілсон, найбільший у світі на ті часи; його дзеркало мало діаметр 2,5 метра . Направивши його на Туманність Андромеди, Хаббл зміг розгледіти в ній окремі зірки. І при тому зірки певного типу - змінні зірки, звані цефеїд. Ці зірки змінюють свій блиск регулярним чином, майже суворо періодично. Вони чудові тим, що період зміни їх блиску певним чином пов'язаний зі світністю. Ця обставина було встановлено спочатку по близьким цефеїдам нашої Галактики.
Власна світність - це енергія, випромінювана зіркою в усі сторони в одиницю часу. А блиск (в астрономії) вимірюється енергією, що приходить на одиницю поверхні Землі в одиницю часу. За допомогою «стандартного» співвідношення між періодом зміни блиску і світністю можна визначити світність зірки по легко вимірюваному періоду зміни її блиску. Але за законом зворотних квадратів блиск пропорційний світності і обернено пропорційний квадрату відстані до зірки. Так що, знаючи і блиск, і світність, можна визначити відстань.
Таким шляхом, за допомогою спостереження цефеїд Андромеди, Хаббл виявив, що ця «туманність» знаходитися поза нашої Галактики і досить далеко від неї. Це не хмара газу, а теж величезна і зовсім окрема галактика.
Потім, використовуючи яскраві зірки, Хаббл зміг визначити відстані до двох десятків інших «туманностей», які раніше спостерігав Слайфер. Виявилося, що вони теж являють собою галактики, хоча і не завжди такі великі, як наша Галактика і Андромеда. Він скористався даними Слайфер і Гьюмасона про швидкості руху цих галактик і на основі цих даних і власних оцінок відстаней побудував діаграму залежності швидкості V від відстані R.
А регулярне розбігання галактик за ікону Хаббла виявляється, починаючи з відстані, які приблизно в два-три рази більше, ніж відстань до Андромеди (близько двох мільйоном світлових років).
Вимірювання швидкостей і закон Хаббла засновані на вимірюваннях червоного змішування в спектрах галактик. Перехід від спектрів до швидкостей передбачає пояснення червоного змішання ефектом Доплера. Суть його в тому, що довжина хвилі реєстрованого випромінювання змінюється при відносному русі джерела і приймача. Зокрема, довжина хвилі зростає (а світло «червоніє»), коли відстань між джерелом і приймачем зростає з часом.

1.6 Гаряче початок

Якою ж була Всесвіт 10-15 млрд. років тому, на початку своєї еволюції? Що було в самій «точці», про яку говорить Фрідман, як про початковий стан світу? Нічого достовірного на цей рахунок поки невідомо. І труднощі у вивченні цього стану практично нездоланні: в сингулярності або біля неї Всесвіту керувала зовсім інша фізика, аж ніяк не зводиться до того, що ми зараз знаємо про її законах. Але якщо відступити від цього першого моменту хоча б на хвилині стан Всесвіту і подальший хід її еволюції допускають вже повний і детальний досліджено не на основі твердо встановлених фізичних законів.
Про перших хвилинах космологічного розширення зараз відомо справді чимало. Перш за все, надійно встановлено, що речовина Всесвіту було тоді дуже гарячим. При віці світу в 200 секунд температура речовини становила мільярд градусів, по порядку величини. Ніяких планет, зірок, галактик при такій температурі не могло існувати. Не було атомів - речовина була повністю ионизованном, електрони були відірвані від ядер атомів швидкими хаотичними тепловими рухами. Більш того, при цій температурі не могли існувати навіть складні ядра.
Тільки самі прості ядра, ядра атома водню - протони - були в гарячій космічної суміші. Разом з протонами в цьому середовищі знаходилися електрони і притому рівно в тій же кількості, що і протони, так що середовище було електрично нейтральною. У ній були також нейтрони і нейтрино. Це середовище містила також фотони - кванти електромагнітного випромінювання. Вони представляли собою газ, який знаходився в термодинамічній рівновазі з речовиною і мав ту ж температуру.
Така картина ранньому Всесвіті була в 1940-50 роки описана Г. А. Гамовим, тоді професором Університету Джорджа Вашингтона, а колись студентом професора Фрідмана в Ленінградському університеті. Гамов писав, що ідею гарячого початкового стану світу він запозичив у свого вчителя. Стосовно до цієї теорії гарячого початку світу і виник спочатку термін «Великий Вибух». За Гамову, спочатку був вселенський вибух, який стався одночасно і всюди в світі, заповнивши простір гарячим випромінюванням і речовиною, з якого через мільярди років утворилися всі астрономічні тіла і все, що на них ..
Вихідним мотивом цих досліджень було прагнення пояснити походження хімічних елементів, їх відносну поширеність у Всесвіті. Відомо, що Сонце складається в основному з водню і гелію в пропорції приблизно 3:1 по масі. Всі інші, більш важкі елементи присутні у вигляді домішки, на яку припадає близько двох відсотків за масою. Той же склад має переважна більшість інших зірок і міжзоряний газ, що заповнює простір між ними.
Було припущено, що всі елементи були «зварені» відразу у всьому Всесвіті на перших етапах космологічного розширення. Універсальність хімічного складу при цьому автоматично забезпечується. Що ж стосується фізичних умов, то в ранньому Всесвіті її речовина безсумнівно було щільним, як в надрах зірок, а то й ще щільніше. Висока щільність середовища - неодмінна умова ефективного перебігу ядерних реакцій синтезу елементів. Для цих реакцій необхідна також і висока температура. Тому-то Гамов і висуває припущення про те, що речовина ранньому Всесвіті було не тільки щільним, але і дуже гарячим.
Рання Всесвіт був, по ідеї Гамова, тим природним ядерним реактором, в якому при відомій (досить помірною) щільності і гігантською температурі відбувся синтез всіх хімічних елементів природи.
Теорія удосконалювалася з часом завдяки консультаціям і критичних зауважень, які висловлювали по ходу справи в її адресу Е. Фермі, С. Хаяші, Ф. Хойл, У. Фаулер, М. Бербідж, Дж. Бербідж. Надалі процес космологічного нуклеосинтезу заново вивчали в більш суворої постановці, що стала можливою завдяки уточненню даних ядерної фізики, Зельдович і його співробітник Якубов в 1964-1965 рр.. Разом з тим йшло уточнення наглядових астрономічних даних про хімічний склад речовини Всесвіту.
У результаті великої багаторічної колективної роботи фахівців різних країн, ініційованої Гамовим, стало очевидним, що космічна поширеність двох головних елементів - водню і гелію - дійсно може бути пояснена ядерними реакціями в гарячому речовині ранньому Всесвіті.
Процес утворення гелію з протонів і нейтронів протікає так. При температурі в мільярд градусів Кельвіна протон і нейтрон можуть, зіткнувшись при своїх швидких теплових рухах, злитися і утворити ядро ​​дейтерію. Це вже складене ядро, але все-таки ще ядро ​​водню, ядро ​​важкого водню.
Наступна ланка в ланцюжку ядерних перетворень таке. Два щойно утворилися ядра дейтерію стикаються один з одним і утворюють ядро ​​тритію, викидаючи при цьому один вільний протон. Тритій - це теж водень, але найважчий, в його ядрі три частинки: один протон і два нейтрони. Після цього ядро ​​тритію може зіткнутися з іншим ядром дейтерію. Злиття їх веде до утворення нового хімічного елемента - гелію. У ядрі гелію, що виникає таким шляхом, міститься два протони і два нейтрони; це гелій-4, найпоширеніший у природі ізотоп гелію.
У тій же реакції звільняється один нейтрон з тих трьох, що були у вихідних ядрах тритію і дейтерію.
На цьому ланцюжок ядерних перетворень не обривається. Вході зіткнень і злиття частинок і легких ядер утворюється гелій-3, легкий ізотоп гелію. Але цих ядер утворюється багато менше, ніж ядер гелію-4. Утворюються і ядра літію, третього елемента таблиці Менделєєва, але їх виникає і ще менше, ніж ядер гелію-3.
Процес ядерних перетворень зупиняється через падіння температури середовища в ході космологічного розширення. При більш низьких температурах зіткнення частинок вже не призводять до їх злиття, і далі найлегших ядер процес синтезу елементів в гарячій ранньому Всесвіті не заходить. Основний продукт цього процесу - гелій-4, на який з тих пір припадає близько чверті маси зірок і міжзоряного газу.
Що ж стосується всіх більш важких елементів - кисню, вуглецю, кремнію і т. д. - вони повинні, мабуть, синтезуватися іншим, не космологічним шляхом, наприклад, при спалахах наднових зірок.

1.7 Реліктове випромінювання

Але є і ще один «продукт» ранньої гарячого Всесвіту - це газ фотонів, квантів електромагнітного випромінювання. При температурах у мільярд градусів газ фотонів був у Всесвіті разом з гарячим речовиною - цього вимагають закони термодинаміки. Середня енергія одного фотона при таких обставинах близька до середньої енергії теплового руху інших частинок, що утворюють гарячу космічну плазму. Число ж фотонів багато більше числа протонів - приблизно в десять мільярдів разів.
Але це означає, що повна енергія фотонів у стільки ж разів більше повної теплової енергії частинок плазми. Навіть якщо врахувати не тільки теплову енергію плазми, а й енергію спокою її частинок, все одно фотони будуть домінувати по енергії над плазмою.
Фотони та космічна плазма охолоджувалися в ході загального космологічного розширення. При цьому переважання фотонів над протонами і нейтронами по енергії продовжувало існувати в перші сто тисяч років життя Всесвіту. Після цього домінували по енергії вже частинки. Але фотони нікуди не зникли. Прохолоджуючи і далі, вони продовжували існувати у Всесвіті.
Ті самі фотони, які були в епоху ядерних реакцій в ранньому Всесвіті, збереглися і до наших днів. Такий прогноз явно випливало з теорії Гамова. Йому вдалося навіть приблизно вказати, якою повинна бути температура випромінювання в сучасну епоху. За розрахунками Гамова і його учнів і співробітників Ральфа Альфер і Роберта Хермана виходило, що в нашу епоху температура фотонів повинна бути досить близької до абсолютного нуля, всього в межах від 1 до 10 градусів Кельвіна. Ці холодні фотони повинні рівномірно заповнювати весь простір і створювати тим самим загальний космічний фон електромагнітного випромінювання.
У 1965 р . фотони, що утворюють космічне фонове випромінювання, були виявлені радіоастрономії А. Пензиасом і Р. Вілсоном. Температура випромінювання виявилася близькою до трьох градусів Кельвіна. Так теорія гарячого Всесвіту отримала пряме наглядове підтвердження. А виміряні три градуси дуже добре узгоджуються з теоретичним прогнозом - температура потрапляє точно в розрахунковий інтервал.
Між іншим, в одній зі своїх численних науково-популярних статей Гамов написав (у 1950 р .), Що температура фонового випромінювання повинна бути близько трьох градусів - це середина (логарифмічна) розрахункового інтервалу температур. Гамов вгадав - так і виявилося.
Дивовижний космічний феномен - залишкове випромінювання ранньої гарячого Всесвіту - отримав, за пропозицією Шкловського, назва реліктового випромінювання. В англомовній літературі частіше говорять «космічне мікрохвильове фонове випромінювання».
Відкриття реліктового випромінювання було підтвердженням не тільки обший концепції еволюції світу, створеної Фрідманом. Динаміка і геометрія світу, описувані теорією Фрідмана, разом з термодинамікою та ядерної фізикою космічного середовища, розробленими Гамовим, складають головний зміст сучасної науки про Всесвіт.
Вивчення реліктового випромінювання показало, що воно заповнює простір рівномірно, і ця рівномірність майже ідеальна. Через свою майже ідеально однорідної щільності, реліктове випромінювання приходить до нас рівномірно з усіх напрямів, тобто воно изотропно. Ступінь изотропии виключно висока: відносні відхилення від неї не перевищують сотих часток відсотка. Це рекордно висока точність для космології. Її варто порівняти з точністю, з якою виміряна рівномірність розподілу галактик, однорідність щільності світиться речовини Всесвіту; точність по галактиках складає приблизно тридцять відсотків.
Так що однорідність і изотропия реліктового випромінювання - це найвагоміший наглядове підтвердження високої просторової симетрії моделі Фрідмана.
Незабаром після, його відкриття, а особливо в останні роки, реліктове випромінювання перетворилося, можна сказати, з об'єкта дослідження в інструмент дослідження світу. Із спостережень цього випромінювання вдалося визначити рух Землі відносно цього фону. Це стало можливо знов-таки завдяки ефекту Доплера. Якщо радіоантена, або радіометр, як вважають за краще зараз говорити радіоастрономи, рухається щодо реліктового тла, то зустрічні реліктові фотони будуть мати трохи меншу довжину хвилі, ніж у випадку, коли радіометр покоїться відносно фону. Точно так само наздоганяють радіометр фотони будуть мати трохи більшу довжину хвилі. Вимірюючи ці два зсуву або будь-який з них, можна визначити швидкість радіометра щодо реліктового фону.
Так що для рухомого спостерігача реліктове випромінювання вже не виглядає строго ізотропним. При цьому виникає зсув довжин хвиль у напрямку вперед-назад, який називають дипольної анізотропією випромінювання.
Дипольна анізотропія реліктового фону була реально виявлена ​​за допомогою радіометрів, винесених за межі земної атмосфери (щоб вона не заважала спостереженням) на висотних літаках і аеростатах. Виявилося, що в напрямку на сузір'я Лева є зсув у бік більш коротких хвиль, а в протилежному напрямі - у бік довгих. Різниця складала приблизно дві десятих відсотка, і, перерахувавши її на швидкість по ефекту Доплера, спостерігачі знайшли, що швидкість Землі відносно реліктового фону становить приблизно триста кілометрів на секунду. Це одна тисячна швидкості світла, тобто одна десята відсотка від неї; так і має бути, бо відносний зсув довжини хвилі дорівнює - у кожному з обох напрямків - відношенню швидкості руху до швидкості світла .. Земля рухається в напрямку на сузір'я Лева зі швидкістю приблизно в 300 км / сек щодо реліктового фону.
Цей фон служить ідеально влаштованої і дуже зручною системою відліку для вимірювання рухів різних тіл в космології.

2 Всесвітньої АНТІТЯГОТЕНІЕ

2.1 Гіпотеза Ейнштейна

З кінця 1920-х років гіпотеза ейнштейнівської космологічної постійної зійшла, здавалося, зі сцени. Дійсно, раз світ не є статичною і розширюється, в ній вже просто немає потреби. Так вважав Ейнштейн, так думали і інші теоретики.
І, тим не менш, інтерес до гіпотези Ейнштейна не пропадав зовсім. Десятиріччя за десятиріччям, починаючи з робіт В. де Сітгера і Ж. Леметра, складалося розуміння того, що ж, по суті, стоїть за цією новою константою природи.
Поступово стало ясно, що у своїй першій космологічної роботі Ейнштейн запропонував гіпотезу про те, що поряд із звичайною речовиною, всі частинки якого - протони, електрони, нейтрони і т. д. - відчувають взаємне тяжіння, у світі існує і зовсім незвичайна середовище, що створює НЕ тяжіння, а антіпрітяженіе, відштовхування. Ця невідома до того - ні в теорії, ні в експерименті - середовище діє на звичайну речовину Всесвіту і здатна зменшити або навіть зовсім компенсувати взаємне притягання його частинок, а то і пересилити його.
Антігравітіруюшая середу представлена ​​в модифікованих рівняннях всього однієї константою - ейнштейнівської космологічної постійної Λ. Величина космологічної постійної не виводиться з якої-небудь фундаментальної теорії, а підлягає наглядовій визначенням. У моделі Ейнштейна її значення має бути таким, щоб забезпечити точну компенсацію тяжіння антітяготеніем.
Якщо така компенсація має місце, то сума сил, прикладених до кожної частинки космічного речовини, виявляється рівною нулю, і тому всі частинки у світі можуть перебувати у спокої. Якщо всі частинки спочивають, Всесвіт як ціле, теж позбавлена ​​руху - вона нерухома і статична, вона не змінюється з часом. Саме цей стан балансу сил і описується, по суті, космологією Ейнштейна.
Так із, здавалося б, вимушеного припущення про нову постійної природи народилася грандіозна гіпотеза всесвітнього антітяготенія.
Ні в першій своїй космологічної роботі, ні пізніше Ейнштейн не говорить про ангітяготеніі, вакуумі, темної енергії і т. п. Але річ не в словах і назвах. Він взагалі утримується від будь-якої фізичної інтерпретації космологічної сталої. У нього не говориться і про компенсацію тяжіння космічного речовини за рахунок фізичного ефекту, описуваного цієї постійної.
Зараз вважається, що космологічна постійна являє собою кількісну характеристику космічного вакууму. Така точка зору була вперше висловлена ​​Е. Б. Глінером в 1965 р . Космічний вакуум - це такий стан космічної середовища, яке володіє постійною в часі і всюди однаковою в просторі щільністю - і то в будь-якій системі відліку. За цим властивостям вакуум принципово відрізняється від всіх інших, звичайних форм космічного середовища, щільність яких неоднорідна в просторі, падає з часом в ході космологічного розширення і може бути різною в різних системах відліку.
Якщо залишити осторонь уявлення про статичності Всесвіту, то гіпотеза Ейнштейна була насправді припущенням про існування в світі космічного вакууму. І це припущення, нарешті, підтвердилося в астрономічних спостереженнях.
У 1998-99 рр.. дві групи астрономів відкрили всесвітнє антітяготеніе і космічний вакуум. У роботі брало участь велике число астрономів), однією групою керували Брайан Смідт і Адам Раніше, інший - Сол Перлмуттер.
Головний сенс новітніх відкриттів в космології такий. У спостережуваного Всесвіту домінує вакуум, який математично описується ейнштейнівської космологічної сталої. За щільністю енергії він перевершує всі «звичайні» форми космічної речовини разом узяті. Вакуум створює космічне антітяготеніе, антигравітацію, яка управляє динамікою космологічного розширення в сучасну епоху.
Відкриття зроблене на підставі вивчення далеких спалахів наднових зірок. Через їх виняткової яскравості, наднові можна спостерігати на дуже великих, по-справжньому космологічних, відстанях. Опускаючи інші деталі, скажімо, що використовувалися дані про найновіші певного типу (1а), які прийнято вважати «стандартними свічками»; їх власна світність в максимумі блиску дійсно лежить в досить вузьких межах.
Наднові служать для визначення таких великих космологічних відстаней, на яких цефеїди й інші «звичайні» зірки вже не видно навіть у найбільші сучасні телескопи. Найдальші наднові спостерігають за допомогою космічного телескопа, що носить ім'я Хаббла.
Перша група спостерігачів, що повідомила про свої результати в 1998 р ., Мала у своєму розпорядженні даними про всього декількох наднових потрібного типу на потрібних відстанях; але вже і цього було досить, щоб помітити космологічний ефект в законі убування видимого блиску з відстанню.
У спостереженнях наднових безпосередньо вимірюються дві величини: блиск зірки (тобто енергія, що приходить від неї на Землю в одиницю часу на одиницю площі) і червоний зсув.
Червоне змішання в спектрі виникає через загальне космологічного розширення. Галактика, в якій знаходиться зірка, віддаляється від нас за законом Хаббла. Тому всі довжини хвиль світла від неї зміщені. Мірою зміщення служить величина:
Z = (λ - λ ₀₎ / λ _0,
де λ .- довжина хвилі реєстрованого світла, λ ₀ - довжина хвилі випускається світла. Розмір Z називається червоним зміщенням.
_{SHAPE \ * MERGEFORMAT}

Z = 0,7

Схилення

Блиск

уповільнення

прискорення

Малюнок 2.1 - Наднові зірки і прискорення Всесвіту: залежність блиску зірки від червоного змішання. Спостережні точки лягають на верхню з двох теоретичних кривих. Це означає, що космологічне розширення відбувається з прискоренням. Блиск вимірюється в логарифмічній шкалі і зростає на вертикальній осі зверху вниз.
Вимірявши блиск наднової і її червоне зміщення, астрономи ставлять відповідну точку на графіку блиск-червоний зсув.
На цьому графіку показано дві лінії, які відображають теоретичну залежність блиску від червоного зсуву. При малих Z обидві лінії зливаються в одну.
У цьому випадку зв'язок між вимірюваними величинами дуже проста - вона відповідає звичайному законом зворотних квадратів: блиск F зменшується з відстанню R за законом:
F ~ R ^-2.

Так як відповідно до ефектом Доплера Z = V / c, а за законом Хаббла V = HR, то можна отримати зв'язок між відстанню і червоним зміщенням для малих Z:
R = cz / H.
У результаті блиск убуває з червоним зміщенням за законом зворотних квадратів (справедливо для малих Z): F ~ Z ^-2.
Ця залежність і зображена співпадаючими початковими ділянками обох теоретичних кривих на рис. 2.1. Але при не малих червоних зсувах зв'язок між відстанню і червоним зміщенням стає складніше. У цей зв'язок виявляється залученою не тільки швидкість розбігання V, але і прискорення, з яким це розбігання відбувається. Теоретична крива для прискореного розширення проходить вище, ніж для сповільнюється.
А це означає, що по виду залежності блиску від червоного зміщення можна визначити прискорюється космологічне розширення або сповільнюється. Для цього потрібно спостерігати побільше наднових на таких великих відстанях, де дві теоретичні криві різні, і дивитися, як наглядові точки ляжуть на графік.
Спостереження наднових зірок виразно вказують на те, що точки лягають на верхню криву. А це означає, що Всесвіт розширюється з прискоренням. Прискорення ж може створити тільки космічний вакуум з його антигравітацією: антигравітація прагне видалити тіла один від одного і тим самим підганяє розліт галактик і скупчень.
За цим прискоренню космологічного розширення і вдалося розпізнати космічний вакуум і навіть дуже точно виміряти щільність його енергії. Виявилося, що густина енергії вакууму складає 5.10 ^-30 г / см ^3, якщо висловити її в одиницях щільності маси. Як відомо, маса і енергія зв'язані між собою знаменитою формулою Е = mс ^2. Аби перевести щільність маси на щільність енергії, потрібно помножити її на с ^2.
У тих же одиницях г / см ³ середня щільність світиться речовини зірок складає - 2.10 ^-31 г / см ^3, а середня щільність темної матерії - 2.10 ^-30 г / см ^3. На вакуум доводиться, таким чином, 67% всієї енергії світу, на темна речовина - приблизно 30%, на баріони (звичайна речовина) - близько 3%, а на випромінювання - ще раз у сто менше.
Отже, космічний вакуум - сама щільне середовище у Всесвіті. Щільність вакууму більше і кожної з трьох інших густин окремо, та їх суми. Вакууму виявилося явно більше, ніж потрібно для компенсації тяжіння в моделі Ейнштейна. При цьому щільність вакууму ідеально однакова в усьому світі. Він присутній скрізь і всюди має строго одну й ту саму щільність. Щільності ж світиться і темної речовини однакові лише в середньому по дуже великих обсягах із розмірами в 300 мільйонів світлових років і більше.
«Вимірювальної установкою» для виявлення вакууму та визначення його щільності послужила, можна сказати, сам Всесвіт з її галактиками і зірками. А системою відліку, в якій ці виміри були зроблені, було спільне розподіл галактик, в яких спостерігалися наднові зірки потрібного типу.

Чисельне значення щільності вакууму завжди і скрізь одне і те ж. Вимірявши це значення в системі відліку, супутньої расширяющемуся речовини, як це реально і зроблено за допомогою спостережень наднових, ми знаємо, що воно в точності таке і за будь-яких інших способах вимірювань в який завгодно системі відліку.
Для космічного вакууму, після того як він був відкритий, стали придумувати нові назви. Одне з них - темна енергія - отримує зараз поширення. Вакуум дійсно є темним в тому сенсі, що він не випромінює світла. Ця назва, здається, більше подобається пишуть про науку журналістам, ніж самим «практикуючим» космологам: звучить таємничо. Але в астрономії вже є темна речовина, а вакуум - це щось зовсім інше, ніж темна речовина, хоча теж надзвичайно загадкове.
Чому ж вакуум створює не тяжіння, а антітяготеніе? Вакуум з'явився в космологію з ейнштейнівської космологічної постійної Λ, і його щільність виражається через значення цієї постійної:
ρ _v = Λc ² / (8πG).
Яка б не була його фізична природа, вакуум Ейнштейна володіє не тільки певною щільністю, але і тиском. Так він з самого початку задано космологічної сталої. Якщо щільність вакууму позитивна, то його тиск негативно.
Негативний тиск - не цілком звичайне явище в фізиці. При «нормальних умовах» тиск в «нормальної» рідини чи газі, як правило, позитивно. Але і в рідині і в твердих тілах негативний тиск теж може виникати.
Це вимагає особливих, спеціальних умов, але саме по собі не є чимось особливо екзотичним. Однак у випадку вакууму ситуація виняткова. Зв'язок між тиском і щільністю, тобто рівняння стану цієї «середовища», має вигляд:
ρ _v =-з ² ρ _v
Нічого подібного немає ні в одній іншій середовищі. Це абсолютно і виключно властивість одного вакууму і тільки його.
Це рівняння стану сумісно з визначенням вакууму як форми енергії з усюди і завжди постійною щільністю, незалежно від системи відліку. З цього рівняння стану і випливає антітяготеніе вакууму.
Відповідно до загальної теорії відносності, тяжіння створюється не тільки щільністю середовища, але і її тиском в комбінації:
ρ + 3p / c ²
Ця формула з фрідмановской космології однорідної і ізотропного Всесвіту. Вакуум викликає антигравітацію саме тому, що його ефективна гравитирующей енергія,
ρ ₀ = ρ _v + 3p _v / c ² =-2p _v,
негативна при позитивній щільності.
За спостережною даними про найновіші щільність вакууму перевищує сумарну щільність всіх інших видів космічної енергії. Але це означає, що в спостережуваного Всесвіту антітяготеніе сильніше тяжіння. За такої умови космологічне розширення зобов'язана відбуватися з прискоренням. Це прискорення і було помічено й реально виміряна за спостереженнями наднових зірок у далеких галактиках.
Подивимося ще раз на рис. 2.1, який відображає залежність блиску наднових від червоного зсуву, і звернемо увагу на одну наглядову крапку в самому верху графіка - вона явно сповзає вниз з верхньої кривої.
Це далеко не випадкова обставина. Справа в тому, що червоне зміщення служить не тільки мірою відстані, але і мірою часу: чим більше z, тим більше відстань, але, значить, тим довше шовк нам світло від зірки. Ми бачимо зірку або галактику такою, якою вона була в момент випускання світла.
При червоному змішанні z = 0,7 ми бачимо зірки, галактики і весь Всесвіт якими вони були 6-8 мільярдів років тому. Але, як ми тепер знаємо, приблизно в цю епоху сповільнюється, розширення перетворилося на прискорене. Червоним зсувам, що перевищує 0,7, відповідає рання епоха, коли розширення уповільнювався. Тому можна передбачити, що на великих z спостережні точки будуть лягати не на верхню, а на нижню криву.

2.2 Прискорене розширення

SHAPE \ * MERGEFORMAT

R (t)

сила антітяготенія, створювана вакуумом

швидкість частинки

сила тяжіння речовини

Малюнок 2.2 - Розширюється кулю на тлі антігравітірующего вакууму.
На відміну від всесвітнього тяжіння, всесвітнє антітяготеніе прагне не зблизити тіла, а, навпаки, видалити їх один від одного. Але і спостережувані швидкості розбігання галактик теж
приводять до їхнього видалення один від одного.
Це означає, що сила антітяготенія спрямована вздовж швидкості, і тому вона допомагає галактик розбігатися, весь час збільшуючи їх швидкість.
Раз спостережуване розширення відбувається з прискоренням, воно буде тривати необмежено довго - ніщо вже не здатне стати цьому на заваді. Дійсно, середня щільність речовини і випромінювання буде при розширенні тільки спадати. Але це означає, що тяжіння ніколи вже не буде переважати у Всесвіті. Динамічне домінування вакууму буде тільки посилюватися, а розбігання галактик буде відбуватися все швидше і швидше. Дуже важливо, що цей висновок стосується всіх трьох варіантів геометрії тривимірного простору. Тривимірний простір може мати позитивну, нульову чи негативну кривизну, а розширення все одно триватиме вічно.
Так вакуум з його антітяготеніем змінює колишнє передбачення теорії про долю світу. У космологічних моделях з нульовою енергією вакууму був можливий варіант зміни розширення стисненням: при позитивній кривизні простору. Тепер таке пророцтво вже відпадає. Тільки необмежене розширення - таке нове пророкування теорії, що стало можливим з відкриттям космічного вакууму.
При повному і переважній перевазі вакууму відстані між галактиками і їх системами зростають з часом експоненціально:
R (t) ~ exp (ct / A).
Тут константа А розмірності довжини визначається щільністю вакууму:
A = (kρ _v) ^{-1 / 2} ~ ^Жовтні 1928 см .
Ця залежність відстаней від часу утримується в теорії Фрідмана в якості граничного випадку, коли все в світі визначає вакуум, а впливом невакуумних компонент космічного середовища можна повністю знехтувати. Закон експоненціального розширення показаний графічно на рис. 2.3.

SHAPE \ * MERGEFORMAT

епоха речовини

епоха вакууму

час, t

t v

зараз

Малюнок 2.3 - Зміна відстаней в реальному світі.
По властивості експоненційної функції, в такому експоненціально розширюється світі швидкість взаємного розбої-залягання тіл пропорційна відстані між ними.
Але тоді в законі Хаббла V = HR, постійна Н буде незалежною не тільки від напрямків і відстаней у просторі, але також і від часу:
Н = с / А.
Космологічної довжині А відповідає час А / с ~ 10 млрд. років. Близькість по порядку величини до сучасного віком світу - не випадковий збіг.
Звернемося тепер не до майбутнього, а до минулого Всесвіту. Вакуум домінував у світі не завжди. Його щільність не змінюється з часом, тоді як щільність темної речовини падає при розширенні світу і, отже, зростає назад - в минуле. Щільність речовини змінюється назад пропорційно квадрату віку світу. Все це означає, що антітяготеніе вакууму було неістотно у досить віддаленому минулому.
У ранньому Всесвіті безроздільно панувало всесвітнє тяжіння невакуумних компонент космічного середовища. А епоха антітяготенія настала тільки при віці світу в 6-8 мільярдів років: у цей момент щільність темної речовини впала до значення щільності вакууму (див. рис. 2.4).
SHAPE \ * MERGEFORMAT

вакуум

щільність

час, t

t v

епоха речовини

епоха вакууму

речовина

Малюнок 2.4 - Речовина і вакуум у розширенні світі.
Але тоді точні вимірювання космологічного розширення по наднових повинні прямо на це вказати, - якщо тільки вдасться знайти наднові, що знаходяться від нас на відстані в 6-8 і більше мільярдів світлових років. Такі приклади дуже далеких наднових в самий останній час знайдені, і вони безумовно підтверджують; що в далекому минулому розширення дійсно відбувалося не з прискоренням, а з уповільненням - за законом R ~ t ^{2 / 3.} Це закон замедляющегося розширення - воно гальмується тяжінням і тому відбувається повільніше, ніж за інерцією.
Швидкість розширення в цьому випадку V ~ R / t, при цьому постійна Хаббла H ~ 1 / t.
У реальному світі цей закон розширення справедливий з дуже хорошою точністю для всіх трьох типів просторової геометрії, якщо вік світу не перевищує 6-8 мільярдів років.
Це епоха домінування темної речовини. А незабаром після того, як щільність темної речовини стає менше щільності вакууму, справедливий експонентний закон розширення.
Так що практично вся історія розширення Всесвіту може бути описана за допомогою цих двох співвідношень: спочатку ступеневій закон розширення, а потім експонентний.
В епоху, коли щільності темної речовини і вакууму порівнюються за величиною, наближено справедливі обидві виписані вище формули для постійної Хаббла. Значить, в цю епоху c / A ~ 1 / t. Тоді A / c ~ t ~ 10 млрд. років.
Якщо записати остання рівність з дещо більшою точністю, то з нього й вийде зазначений вище характерний вік 6-8 мільярдів років, як межа між стадією переважання тяжіння і наступної за нею стадією переважання антітяготенія.
Залишається додати для повноти картини, що в найперші кілька сотень тисяч років (тоді за щільністю домінувало випромінювання) розширення відбувається за законом:
R ~ t ^{1 / 2.}
Це, природно, що уповільнює розширення, більш повільне, ніж інерціальній розліт.
Отже, можна сказати, що першу половину свого життя Всесвіт сповільнювалася, а в другу прискорювалася. У майбутньому її чекає подальше прискорене розширення, яке ніколи не скінчиться.