Що таке космологія?
Сучасна космологія - це астрофізична теорія структури та динаміки зміни Метагалактики, що включає в себе і певне розуміння властивостей всього Всесвіту. Космологія грунтується на астрономічних спостереженнях Галактики та інших зоряних систем, загальної теорії відносності, фізики мікропроцесів і високої щільності енергії, релятивістської термодинаміці та ряді інших новітніх фізичних теорій.
Дане визначення космології бере як предмета цієї науки тільки Метагалактику. Це пов'язано з тим, що всі дані, які має сучасна наука, відносяться тільки до кінцевої системі - Метагалактика, і вчені не впевнені, що при простій екстраполяції властивостей цієї Метагалактики на весь Всесвіт будуть отримані правдиві результати. При цьому, безумовно, судження про властивості всього Всесвіту є необхідною складовою частиною космології. Космологія сьогодні є фундаментальною наукою. І вона більше, ніж будь-яка інша фундаментальна наука, пов'язана з різними філософськими концепціями, по-різному розуміють устрій світу.
Космологія бере свій початок в уявленнях стародавніх, зокрема у давньогрецькій міфології, де дуже докладно і досить систематизування розповідається про створення світу і його пристрої. Втім, міфологія будь-якого народу, досить розвиненого для того, щоб створювати космологічні міфи, може похвалитися не менш цікавими ідеями. І це не випадково. Величезний світ навколо нас завжди хвилювало людини. Він з давніх часів намагався зрозуміти, як влаштований цей світ, що таке в цьому світі Сонце, зірки, планети, як вони виникли. Це - з розряду тих питань, які прийнято називати "вічними", людина ніколи не перестане шукати відповіді на них.
Після того, як з'явилася філософія, яка прийшла разом з наукою на зміну міфології, відповідь на ці питання стали вико-кати в основному в рамках філософських концепцій, причому майже кожен філософ вважав своїм обов'язком торкнутися їх.
Загальновизнаним підсумком античної космології стала геоцентрична концепція Птолемея, що проіснувала протягом всього Середньовіччя.
З приходом Нового часу філософія поступилася своєю першістю у створенні космологічних моделей науці, яка домоглася особливо великих успіхів у XX столітті, перейшовши від різних припущень в цій області до досить обгрунтованим фактам, гіпотезам і теоріям. При цьому далеко не всі вчені згодні з вищенаведеним визначенням космології, багато хто вважає її вченням про Всесвіт в цілому, тобто вченням про все, що існує.
Відповідаючи на закономірне питання, звідки ми можемо знати, що відбувається в масштабах Всесвіту, вони виходили з дуже популярної методологічної установки, яка передбачає, що на різних рівнях існування природи повторюються одні й ті ж закони, один і той же пристрій матеріальних систем. Відмінності можуть бути лише в масштабах. Така, наприклад, космологія Фурньє Дальба, англійського фізика, що з'явилася в 1911 році. Його Всесвіт чимось схожа на матрьошку: 'Всесвіти існують одна в іншій, менші всередині великих, і в їх пристрої виявляються одні й ті ж правила. До цього часу вже були відкриті перші елементарні частинки і створена планетарна модель атома. Так чому було не припустити, що ядро атома - це сонце, а електрони - планети, на яких навіть можуть жити люди. І де гарантія, що наш світ не є такою ж елементарною частинкою для мегасвіту.
Тим не менш, незважаючи на всю грандіозність цієї ідеї, Всесвіт, влаштована за цим принципом, досить нудна і одноманітна. У такому випадку вона являє собою нескінченну сукупність однакових предметів.
Реальна природа куди складніше і різноманітніше. Перехід від одних масштабів до інших, якщо цей перехід достатньо великий, супроводжується і корінними якісними змінами. Мікросвіт, про який ми вже говорили, виявився зовсім не схожим на те, що, вивчають астрономи. Що ж стосується мегасвіту, незважаючи на природну обмеженість наших розмірів і знань, є всі підстави стверджувати, що з переходом до космічними масштабами нам нерідко доводиться зустрічатися з чимось принципово новим, невідомим у земній людській практиці.
Початок наукової космології
Засновником наукової космології вважається Микола Коперник, який помістив Сонце в центр Всесвіту і звів Землю до положення рядової планети Сонячної системи. Звичайно, він був дуже далекий від правильного розуміння устрою світу. Так, на його переконання, за орбітами п'яти відомих у той час планет розташовувалася сфера нерухомих-зірок. Зірки на цій сфері вважалися рівновіддаленими від Сонця, а їхня природа була неясною. Коперник не бачив у них тіл, подобних'Солнцу, і, будучи служителем церкви, схилявся до думки, що за сферою нерухомих зірок знаходиться "Емпірей", або "житло блаженних" - обитель надприродних тіл і істот.
В одному Коперник був твердо впевнений - радіус сфери нерухомих зірок повинен був бути дуже великий. Інакше було б важко пояснювати, чому з рухається навколо Сонця Землі зірки здаються нерухомими.
Поставте перед особою вказівний палець і подивіться на нього поперемінно то правим, то лівим оком - палець зміщуватиметься па тлі більш далеких предметів, наприклад, стіни. Таке позірна зміщення предмета при зміні позиції спостерігача називається параллактическим зміщенням. Відстань між крайніми точками спостереження називається базисом. Чим більше базис, тим більше і параллактическое зсув. Чим далі від нас спостережуваний предмет, тим менше параллактическое зсув. Відсуньте палець від особи і ви легко в цьому переконаєтесь.
Хоча відстань від Землі до Сонця в часи Коперника в точності не було відомо, багато фактів говорили про те, що воно дуже велике. Здавалося б, при цьому зірки повинні описувати на небі маленькі кола - своєрідне відображення дійсного обертання Землі навколо Сонця. Але такі параллактичний усунення зірок явно були відсутні, з чого Коперник і зробив висновок про колосальних розмірах сфери нерухомих зірок.
Всесвіт за Копернику - світ в шкаралупі. У цій моделі легко знайти чимало пережитків середньовічного світогляду. Але минуло лише кілька десятиліть, і Джордано Бруно розбив коперніковскую "шкаралупу" нерухомих зірок.
Д. Бруно вважав зірки далекими сонцями, зігріваючими незліченні планети інших планетних систем. Бруно вважав дурнем того, хто міг думати, що могутні і чудові світові системи, що полягають у безмежному просторі, позбавлені живих істот. Так прозвучала безмежно смілива на ті часи думка про просторову нескінченність Всесвіту. Він вважав, що Всесвіт нескінченний, що існує незліченна кількість світів, подібних світу Землі. Він вважав, що 3, емля є світило, і що їй подібні Місяць і інші світила, число яких нескінченно, і що всі ці небесні тіла утворюють нескінченність світів. Він уявляв собі нескінченну Всесвіт, що містить в собі нескінченну безліч світів.
Ідеї Бруно набагато обігнали його вік. Але він не міг навести жодного факту, який би підтверджував його космологію-космологію нескінченною, вічної і населеної Всесвіту.
Минуло всього десятиліття, і Галілео Галілей в винайдений ним телескоп побачив у небі те, що до цих пір залишалося прихованим для неозброєного ока. Гори на Місяці наочно доводили, що Місяць і справді є світ, схожий на Землю. Супутники Юпітера, що кружляють навколо вели-чайшей з планет, були схожі на наочне подобу Сонячної системи. Зміна фаз Венери не залишала сумнівів у тому, що ця освітлена Сонцем планета дійсно обертається навколо нього. Нарешті, безліч невидимих оком зірок і особливо дивовижна зоряна розсип, складова Чумацький шлях, - хіба все це не підтверджувало вчення Бруно про незліченні сонцях і землях? З іншого боку, темні плями, побачені Галілеєм на Сонці, спростовували вчення Арістотеля та інших стародавніх філософів про недоторканною чистоті небес. Небесні тіла виявилися схожими на Землю, і це подібність земного і небесного змушувало поступово відмовитися від помилкового уявлення про Сонце як центрі всього Всесвіту.
Сучасник і друг Галілея, Йоганн Кеплер, уточнив закони руху планет, а великий Ісак Ньютон довів, що всі тіла у Всесвіті незалежно від розмірів, хімічного складу, будови та інших властивостей взаємно тяжіють один до одного. Космологія Ньютона разом з успіхами астрономії XVIII і XIX століть визначила той світогляд, що інколи називають класичним. Воно стало підсумком початкового етапу розвитку наукової космології.
Ця класична модель досить проста і зрозуміла. Всесвіт вважається нескінченним у просторі і в часі, іншими словами, вічного. Основним законом, керуючим рухом і розвитком небесних тіл, є закон всесвітнього тяжіння. Простір ніяк не пов'язане з розташованими в ньому тілами і грає пасивну роль вмістилища для цих тіл. Зникни раптом всі ці тіла, простір і час збереглися б незмінними. Кількість зірок, планет і зоряних систем у Всесвіті нескінченно велике. Кожне небесне тіло проходить тривалий життєвий шлях. І на зміну загиблим, точніше, погаслим зіркам спалахують нові, молоді світила. Хоча деталі виникнення і загибелі небесних тіл залишалися неясними, в основному ця модель здавалася стрункою і логічно несуперечливою. У такому вигляді ця класична модель панувала в науці аж до початку XX століття.
Нескінченність Всесвіту в просторі гармонійно відповідала її вічність у часі. Нині, мільярд років тому, мільярди років у майбутньому вона залишиться, по суті, однією і тією ж. Незмінність космосу ніби підкреслював тлінність, непостійність всього земного.
Космологічні парадокси
Перша пролом у цій спокійній класичної космології була пробита ще у XVIII ст. У 1744 р. астроном Р. Шезо, відомий відкриттям незвичайною "пятіхвостой" комети, висловив сумнів у просторовій нескінченності Всесвіту. У ту пору про існування зоряних систем і не підозрювали, тому міркування Шезо стосувалися тільки зірок.
Якщо припустити, стверджував Шезо, що в нескінченній Всесвіті існує незліченна безліч зірок і вони розподілені в просторі рівномірно, то тоді за будь-якого напрямку погляд земного спостерігача неодмінно натикався б на яку-небудь зірку. Легко підрахувати, що небосхил, суцільно усіяний зірками, мав би таку поверхневу яскравість, що навіть Сонце на його фоні здавалося б чорною плямою. Незалежно від Шезо в 1823 р. до таких же висновків прийшов відомий німецький астроном Ф. Ольберс. Це парадоксальне твердження отримало в астрономії найменування фотометричного парадоксу Шезо-Ольберса. Таким був перший космологічний парадокс, який поставив під сумнів нескінченність Всесвіту.
Усунути цей парадокс вчені намагалися різними шляхами. Можна було припустити, наприклад, що зірки розподілені у просторі нерівномірно. Але тоді в деяких напрямках на зоряному небі було б видно мало зірок, а в інших, якщо зірочок незліченна безліч, їх сукупна яскравість створювала б нескінченно яскраві плями, чого, як відомо,. Немає.
Коли відкрили, що міжзоряний простір не порожньо, а заповнено розрідженими газово-пиловими хмарами, деякі вчені стали вважати, що такі хмари, поглинаючи світло зірок, роблять з невидимими для нас. Однак в 1938 р. академік В. Г. Фесенков довів, що, поглинувши світло зірок, газо-по-пилові туманності знову перевипромінюють поглинену ними енергію, а це не позбавляє нас від. фотометричного парадоксу.
В кінці XIX ст. німецький астроном К. Зеелігер звернув увагу і на інший парадокс, неминуче випливає з уявлень про нескінченність Всесвіту. Він отримав назву гравітаційного парадоксу. Неважко підрахувати, що в нескінченній Всесвіту з рівномірно розподіленими в ній тілами сила тяжіння з боку всіх тіл Всесвіту па дане чоло виявляється нескінченно великою або невизначеною. Результат залежить від способу обчислення, причому відносні швидкості небесних тіл могли бути нескінченно великими. Тому що нічого схожого в космосі не спостерігається, Зеелігер зробив висновок, що кількість небесних тіл обмежена, а значить, Всесвіт не нескінченна.
Ці космологічні парадокси залишалися невирішеними до двадцятих років нашого століття, коли на зміну класичній космології прийшла теорія кінцевої і розширення Всесвіту.
Ми вже говорили про початки термодинаміки і деяких висновках з них. Світ повний енергії, яка підпорядковується найважливішому закону природи - закону збереження енергії. При всіх своїх перетвореннях з одного виду в інший енергія не зникає і не виникає з нічого. Загальна кількість енергії залишається постійним. Здавалося б, з цього закону неминуче випливає вічний кругообіг матерії у Всесвіті. У самому справі, якщо в Природі при всіх змінах матерії вона не зникає і не виникає з нічого, а лише переходить з однієї форми існування в іншу, то Всесвіт вічна, і матерія, її складова, перебуває у вічному кругообігу. Таким чином, згаслі зірки знову перетворюються на джерело світла і тепла. Ніхто, звичайно, не знав. як це відбувається, але переконання в тому, що Всесвіт у цілому завжди одна і та ж, було в минулому столітті майже загальним.
Тим несподіванішою прозвучав висновок з другого закону термодинаміки, відкритого в минулому столітті англійцем У. Кельвіном і німецьким фізиком Р. Клаузіусом. При всіх перетвореннях різні види енергії в кінцевому рахунку переходять в тепло, яке, будучи надано собі, прагне до стану термодинамічної рівноваги, тобто розсіюється в просторі. Так як такий процес розсіювання тепла незворотній, то рано чи пізно всі зірки згаснуть, псу активні процеси в Природі припиняться і Всесвіт перетвориться в похмуре замерзле кладовищі. Настане "теплова смерть Всесвіту".
Приголомшливе враження, вироблене на натуралістів минулого століття другим початком термодинаміки, було особливо сильно ще й тому, що навколо себе, в навколишньому нас Природі вони не бачили фактів, його спростовують. Навпаки, все, здавалося, підтверджувало похмурі прогнози Клаузіуса.
Звичайно, є в Природі й антіентропійний процеси, при яких безлад, а значить, і ентропія зменшуються. Такі процеси, що відбуваються в органічному світі, в людській діяльності. Але при більш глибокому розгляді ситуації завжди виявляється, що зменшення безладу в одному місці неминуче супроводжується його збільшенням в іншому. Більше того, який виник з вини людини безлад значно перевищує той порядок, який він вніс до Природу, так що в кінцевому рахунку ентропія і тут продовжує расті.Встать на позицію Клаузнуса - це значітпрізнать, чтоВселенная мала колись початок і неминуче буде мати кінець. Дійсно, якщо б у минулому Всесвіт існував вічно, то в ній давно настав би стан теплової смерті, а так як цього немає, то, на переконання Клаузіуса і багатьох інших його сучасників, Всесвіт була створена порівняно недавно. А в майбутньому, якщо не трапиться якесь диво. Всесвіт чекає теплова смерть.
На спростування другого початку термодинаміки були кинуті сили всіх матеріалістично мислячих учених. Так, в 1895 р. Людвіг Больцман запропонував свою вірогідну трактування другого початку. За його гіпотезою, зростання ентропії відбувається тому, що стан безладу завжди більш імовірно, ніж стан порядку. Але це не означає, що процеси протилежного характеру, тобто самовільні зі зменшенням ентропії, абсолютно неможливі. Вони в принципі можливі, хоча і вкрай маловірогідні.
Усюди ми спостерігаємо, як тепло від більш гарячого тіла переходить до більш холодного. Однак у принципі можливе й інше: шматок льоду, кинутий у піч, збільшить її жар. Не виключено і така подія, що всі молекули повітря в нашій кімнаті зберуться раптом в одному кутку, а ви загинете від задухи в іншому. Нарешті, можливо, що мавпа, посаджена за друкарську машинку, випадково вистучіт пальцем сонет Шекспіра. Всі ці події можливі, але вірогідність їх близька до нуля. Така ж, за Больцманом, ймовірність існування нас з вами.
Больцман не сумнівався, що Всесвіт нескінченний у просторі і часі. В основному і майже завжди вона перебуває в стані теплової смерті. Проте іноді в деяких її районах виникають вкрай малоймовірні відхилення (флуктуації) від звичайного стану Всесвіту. До однієї з них належить Земля і весь видимий нами космос. У цілому ж Всесвіт - неживий мертвий океан з деякою кількістю острівців життя.
Гіпотеза Больцмана хоча і піддала сумніву загальність і сувору обов'язковість другого початку, не змогла задовольнити оптимістично мислячих вчених. До того ж і розрахунки показали, що ймовірність виникнення такої гігантської флуктуації в просторі практично дорівнює нулю.
Були й інші спроби пояснити цей парадокс термодинамічний, але вони так само не увінчалися успіхом.
Три космологічних парадоксу: фотометричний, гравітаційний та термодинамічний - змусили вчених серйозно засумніватися в безконечності і вічності Всесвіту. Саме-вони змусили А. Ейнштейна в 1917р. виступити з гіпотезою про кінцеву, але безмежного Всесвіту.
Припустимо, що речовина, що становить планети, зірки і зоряні системи, рівномірно розсіяно по всьому світовому простору. Тим самим ми допускаємо, що Всесвіт всюди однорідна і до того ж изотропна, тобто у всіх напрямках має однакові властивості. Будемо вважати, що середня щільність речовини у Всесвіті вище так званої критичної щільності. Якщо всі ці вимоги дотримані, світовий простір, як це довів Ейнштейн, замкнуто і являє собою чотиривимірну сферу, для якої правдива не звична шкільна геометрія Евкліда, а геометрія Рімана.
Неевклидова геометрії
Ми звикли, що в двомірному просторі, тобто на площині, є своя, притаманна тільки площині геометрія. Так, сума кутів у будь-якому трикутнику дорівнює 180 °. Через точку, що лежить поза прямою, можна провести тільки одну пряму, паралельну даній. Це - постулати Евклідової геометрії. За аналогією передбачається, що і реальний тривимірний простір, в якому ми з вами існуємо, є евклідів простір. І всі аксіоми площинний геометрії залишаються вірними і для простору трьох вимірів. Такий висновок протягом багатьох століть не піддавалася сумніву. Лише в минулому столітті незалежно один від одного російський математик Микола Лобачевський і німецький математик Георг Рі-ман засумнівалися в загальновизнаному думці. Вони довели, що можуть існувати й інші геометрії, відмінні від евклідової, але настільки ж внутрішньо несуперечливі.
Отже, п'ятий постулат Евкліда стверджує, що через точку поза прямою можна провести лише одну пряму, паралельну даній. Логічно міркуючи, легко побачити ще дві можливості:
- Через точку поза прямою не можна провести ні однієї прямої, паралельної даній (постулат Рімана);
- Через точку поза прямою можна провести безліч прямих, паралельних даній (постулат Лобачевського).
На перший погляду ці твердження звучать абсурдно. На площині вони і справді невірні. Але ж можуть існувати й інші поверхні, де мають місце постулати Рімана і Лобачевського.
Уявіть собі, наприклад, поверхня сфери. На ній найкоротша відстань між двома точками відраховується не по прямій (на поверхні сфери прямих пет), а по дузі великого кола (так називають окружності, радіуси яких дорівнюють радіусу сфери). На земній кулі подібними найкоротшими, або, як їх називають, геодезичними, лініями служать меридіани. Всі меридіани, як відомо, перетинаються в полюсах, і кожен з них можна вважати прямою, паралельною даного меридіану. На сфері виконується своя, сферична геометрія, в якій вірно твердження: сума кутів трикутника завжди більше 180 °. Уявіть собі на сфері трикутник, утворений двома меридіанами і дугою екватора. Кути між меридіанами і екватором рівні 90 °, а до їх суми додається кут між меридіанами з вершиною в полюсі. На сфері, таким чином, немає непересічних прямих.
Існують і такі поверхні, для яких справджується постулат Лобачевського. До них відноситься, наприклад, сідлоподібна поверхню, яка називається псевдосферою. На ній сума кутів трикутника менше 180 °, і неможливо провести ні однієї прямої, паралельної даній.
Після того, як Ріман і Лобачевський довели внутрішню несуперечливість своїх геометрій, виникли законні сумніви в евклідовому характер реального тривимірного простору. Чи не є воно викривленому зразок сфери або псевдосферою? Звичайно, наочно уявити собі викривленість тривимірного простору неможливо. Можна лише розмірковувати за аналогією. Тому, якщо реальне простір не евклідів, а сферичне, не слід уявляти його собі у вигляді деякої звичайної сфери. Сферичне простір є сфера, але сфера чотиривимірні, що не піддається наочному уявленню. За аналогією можна зробити висновок, що обсяг такого простору кінцевий, як кінцева поверхню будь-якої кулі - її можна висловити кінцевим числом квадратних сантиметрів. Поверхня всякої чотиривимірний сфери також виражається в кінцевому кількості кубометрів. Таке сферичне простір не має меж і в цьому сенсі - безмежне. Летячи в такому просторі по одному напрямку, ми в кінці кінців повернемося у вихідну точку. Так само і муха, що повзе по поверхні кулі, ніде не знайде кордонів. У цьому сенсі і поверхню будь-якої кулі безмежна, хоча і кінцева. Тобто безмежність і нескінченність - різні поняття.
Модель розширюється всесвіту
Отже, повернемося до Ейнштейна, з розрахунків якого випливало, що наш світ є чотиривимірний сферою. Обсяг такої Всесвіті може бути виражений хоча і дуже великим, але все ж кінцевим числом кубометрів. У принципі можливо облетіти всю замкнуту Всесвіт, рухаючись весь час в одному і тому ж напрямку. Таке уявне подорож подібно земним навколосвітніх подорожей. Але кінцева але обсягом Всесвіт в той же час безмежна, як не має меж поверхню будь-якої сфери. Всесвіт за Ейнштейну, містить хоч і велике, але все-таки кінцеве число зірок і зоряних систем, а тому до неї фотометричний та гравітаційний парадокси просто неприйнятні. У той же час привид теплової смерті тяжіє і над Всесвітом Ейнштейна-така Всесвіт, кінцева у просторі, неминуче йде до свого кінця в часі. Вічність їй не притаманна.
П'ять років потому, в 1922 р., радянський фізик Олександр Фрідман на підставі суворих розрахунків показав, що Всесвіт Ейнштейна ніяк не може бути стаціонарним, незмінною, як це вважав Ейнштейн. Всесвіт неодмінно повинна розширюватися, причому мова йде про розширення самого простору, тобто про збільшення всіх відстаней світу. Всесвіт Фрідмана нагадувала роздувається мильна бульбашка, у якого і радіус, і площа поверхні безперервно збільшуються.
Ідея Фрідмана спочатку здалася Ейнштейну занадто сміливої і необгрунтованою. Він навіть запідозрив помилку в обчисленнях. Але, ознайомившись з ними, він публічно визнав, що ми живемо у Всесвіті, що.
З розрахунків Фрідмана витікали три можливі наслідки:
Всесвіт і її простір розширюються з плином часу;
Всесвіт стискається; у Всесвіті чергуються через великі проміжки часу цикли стиснення та розширення.
Докази на користь моделі розширення Всесвіту були отримані в 1926 р., коли американський астроном Е. Хаббл відкрив при дослідженні спектрів далеких галактик (існування яких було доведено в 1923 р. тим же Хабб-лом) червоне зміщення спектральних ліній (зміщення ліній до червоного кінця спектру), що було витлумачено як наслідок ефекту Допплера (зміна частоти коливань або довжини хвиль через руху джерела випромінювання і спостерігача по відношенню один до одного) - видалення цих галактик одна від одної зі швидкістю, яка зростає з відстанню. За останніми вимірюваннями, це збільшення швидкості розширення становить приблизно 55 км / с на кожен мільйон парсеків. Після цього відкриття висновок Фрідмана про нестаціонарності Всесвіту отримав підтвердження і в космології утвердилася модель Всесвіту, що розширюється.
Спостережуване нами розбігання галактик є наслідок розширення всього простору замкнутої кінцевої Всесвіту. При такому розширенні простору всі відстані у Всесвіті збільшуються подібно до того, як ростуть відстані між порошинами на поверхні надувається мильного міхура. Кожну з таких пилинок, як і кожну з галактик, можна з повним правом вважати центром розширення.
Подальший розвиток модель Всесвіту, що розширюється отримала в післявоєнні роки й особливо в останні десятиліття завдяки дослідженням відомих вітчизняних космологів Зельдовича і Новикова. Уточнені величини, що характеризують швидкість розширення Всесвіту, розглянуті різні варіанти моделей Всесвіту в залежності від середньої густини речовини в світовому просторі, досить докладно намічений хід еволюції Всесвіту від моменту початку її розширення.
Яке ж майбутнє чекає наш Всесвіт? Ми вже згадували, що розрахунки Фрідмана допускали три варіанти розвитку подій. За яким із них йде еволюція Всесвіту, залежить від ставлення гравітаційної енергії до кінетичної енергії розлітається речовини. Це відношення можна звести до відношення щільності речовини у Всесвіті до критичної щільності речовини, яку ми вже згадували.
Якщо кінетична енергія розлітання речовини переважає над гравітаційної енергією, що перешкоджає розльоту, то сили тяжіння не зупинять розбігання галактик і розширення Всесвіту носить безповоротний характер. Це виражається умовою р1 р ^ - <1, (де р - щільність речовини у Всесвіті, р ^ - критична щільність речовини). Цей варіант динамічної моделі Всесвіту називають "відкритої Всесвіту". Якщо ж переважає гравітаційна взаємодія, чому відповідає умова р / р ^>, то темп розширення з часом сповільниться до повної зупинки, після чого почнеться стиснення речовини аж до повернення Всесвіту в початковий стан сингулярності (точковий обсяг з нескінченно великою щільністю). Для спостерігача сигналом переходу від розширення до стиску стане зміна червоного зміщення ліній хімічних елементів у спектрах віддалених галактик на фіолетове зсув. Такий варіант моделі названий "закритою Всесвіту". У випадку, коли сили гравітації точно рівні кінетичним силам, тобто коли р / р,, = 1, розширення не припиниться, але його швидкість з часом буде прагнути до нуля. Через кілька десятків мільярдів років після початку розширення Всесвіту настане стан, який можна назвати квазістаціонарним. Теоретично можлива і пульсація Всесвіту.
Виникає природне запитання: який з трьох варіантів реалізується в нашому Всесвіті? Відповідь на нього залишається за спостережної астрономією, яка повинна оцінити сучасну середню щільність речовини у Всесвіті і уточнити значення постійної Хаббла (швидкість розширення галактик). Поки надійні оцінки цих величин відсутні. На підставі сучасних даних створюється враження, що середня щільність речовини у Всесвіті близька до критичного значення, вона або трохи більше, або трохи менше. Але від цього "трохи" залежить майбутнє Всесвіту, правда, досить віддалене. Постійна Хаббла дозволяє оцінити час, протягом якого триває процес розширення Всесвіту. Виходить, що воно не менше 10 млрд. і не більше 19 млрд. років. Найбільш вірогідним часом існування Всесвіту, що розширюється вважають 15 млрд. років.
Деякі труднощі гіпотези розширюється всесвіту
Все, що тут до цих пір було сказано, - це лише гіпотези, засновані на деяких реальних фактах. Однак ті ж самі факти можна трактувати й інакше.
Так, неодноразово робилися спроби витлумачити червоне зміщення не як наслідок ефекту Доннлера і розширення Всесвіту, а як наслідок зменшення енергії та власної частоти фотонів при русі їх протягом багатьох мільйонів років в міжгалактичному просторі, в результаті взаємодії з гравітаційними полями, фоном нейтрино, не спостерігається поки матерією. Подібні спроби відкидалися на тій підставі, що вони були засновані на припущенні деякого невідомого ще закону природи і феномена взаємодії випромінювання з іншими видами матерії.
Але справа в тому, що прийняття червоного зсуву як наслідку ефекту Допплера веде до наслідків, які, якщо їх прийняти, грунтуються на сукупності ще більш незрозумілих і невідомих законів природи, причому їх число набагато більше, ніж у зазначеній гіпотезі. Сьогодні є дані спостережень квазарів. Спектральні лінії квазарів мають аномальне високу червоне зміщення - 2,5 - 2,8. Це означає, що якщо б таке червоне зміщення було обумовлено ефектом Допплера, то швидкість видалення квазарів в 2,5 - 2,8 рази перевищувала б швидкість світла, що неможливо. Звідси випливає, що велика частина червоного зсуву квазарів обумовлена надзвичайно потужним полем тяжіння, тобто є гравітаційним. Якщо в інших галактиках є подібні об'єкти, то їх гравітаційне червоне зміщення буде істотно впливати на загальний червоний зсув, внаслідок чого картина динаміки галактик і відстаней до них виявиться інший в порівнянні з чисто кінематичної трактуванням червоного зсуву. Адже зараз виявлено надзвичайно віддалені галактики, червоного зсуву яких відповідає, за ефектом Допплера, швидкість взаємного видалення в 150 тис. км / с, і, мабуть, ця швидкість далі зростає ще більше, наближаючись до швидкості світла, поки галактики не зникають за обрієм принципової наблюдаемості. Така жахлива кінетична енергія, порівнянна з енергією маси спокою галактик, не може бути виведена ні з яких фізичних законів.
Також необгрунтовано твердження про можливість переходу всієї матерії в точкову сингулярність. Адже в релятивістській астрофізиці допускається існування не однієї, а дуже багатьох відносних сингулярностей в центрах чорних дір, які, проте, мають кінцеву протяжність і масу, взаємодіють з оточенням і навіть поступово "випаровуються" в результаті просочування часток у зовнішній простір через потенційний бар'єр.
Виникають суперечності і в поясненні самого феномена розширення. Якщо розширення є дійсним фізичним процесом, то воно відбувається за рахунок "вторгнення" Всесвіту, що розширюється або у вакуум типу псевдоевклидова простору, або в простір інших космічних систем Всесвіту. Існування абсолютного вакууму не можна допустити, бо простір є атрибутом матерії і поза її не існує. Залишається визнати розширення у внутрішній простір інших матеріальних систем, які самі можуть як стискатися, так і розширюватися, розвиваючись за власними законами. Але тоді сучасна космологічна теорія буде охоплювати лише Метагалактику.
Можна, правда, стати на іншу точку зору і допустити, що розширення Всесвіту дійсно відбувається, але ніякого зовнішнього осяжний простору та інших космічних систем не існує; просто сам простір як би створюється в процесі розширення Всесвіту, в тому сенсі, що з плином часу збільшується відстань між якими точками і змінюється геометрія простору.
Але така точка зору містить в собі внутрішні протиріччя. Якщо б було розширення простору самого по собі, то відбувалося б збільшення розмірів всіх матеріальних систем: елементарних часток, атомів, молекул, планет, зірок, галактик, причому в тій же пропорції, що і збільшення відстаней між галактиками. Тим часом нічого подібного в світі не відбувається, є розширення тільки в масштабах Метагалактики.
У літературі з космології висловлюється думка, що різні космологічні моделі Всесвіту, висунуті на основі рішення рівнянь загальної теорії відносності, можуть характеризувати не просто одну наш Всесвіт, але різні стану Всесвіту в різні періоди її існування в минулому і майбутньому, аналогічно потенційно можливим світами в концепції Лейбніца. Все, що не заборонено законами природи, де-небудь і коли-небудь може бути реалізовано.