У 1917 р. А. Ейнштейн побудував модель Всесвіту. У цій моделі для подолання гравітаційної нестійкості Всесвіту використовувалася космологічна сила відштовхування, що отримала назву лямбда-параметра. Надалі Ейнштейн скаже, що це була найгрубіша його помилка, що суперечить духу створеної ним теорії відносності: сила тяжіння в цій теорії ототожнюється з кривизною простору-часу. Всесвіт Ейнштейна мав форму гіперциліндра, протяжність якого визначалася загальною кількістю та складом форм прояву енергії (речовина, поле, випромінювання, вакуум) у цьому циліндрі. Час у цій моделі спрямований від нескінченного минулого до нескінченного майбутнього. Таким чином, тут величина енергії, маси Всесвіту (речовина, поле, випромінювання, вакуум) пропорційно пов'язана з просторовою її структурою: обмежена за своєю формою, але нескінченного радіуса і нескінченна в часі.

Дослідники, які почали аналізувати цю модель, звернули увагу

на її надзвичайну нестійкість, подібну до монети, що стоїть на ребрі, одна сторона якої відповідає Всесвіту, що розширюється, інша - замкненому: при обліку одних фізичних параметрів Всесвіту, за моделлю Ейнштейна, він виходить вічно розширюється, при обліку інших - замкнутим. Наприклад, голландський астроном В. де Сіттер, припустивши, що час викривлений так само, як і простір у моделі Ейнштейна, отримав модель Всесвіту, в якій у дуже віддалених об'єктах час повністю зупиняється.

А. Фрідман,фізічі математик Петроградського університету, опублікувавв1922 г. статтю« Прокривизніпростору».Унею наводилися результати досліджень загальної теорії відносності, які виключали математичної можливості існування трьох моделей Всесвіту: модель Всесвіту в евклідовом просторі ( До = 0); модель з коефіцієнтом, рівним ( До> 0) і модель у просторі Лобачевського – Больяй ( До< 0).

У своїх обчисленнях А. Фрідман виходив із положення про те, що величина і

радіус Всесвіту пропорційні величині енергії, речовини та іншим

форм її прояву у Всесвіті в цілому. Математичні висновки А.Фрідмана заперечували необхідність запровадження космологічної сили відштовхування, оскільки із загальної теорії відносності не виключалася можливість існування моделі Всесвіту, в якій процесу її розширення відповідає процес стиснення, пов'язаний із зростанням щільності, тиску складової Всесвіту енергії-матерії (речовина, поле, випромінювання) , Вакуум). Висновки А. Фрідмана викликали сумнів у багатьох вчених та в самого А. Ейнштейна. Хоча вже 1908 р. математик Р. Мінковський, давши геометричну інтерпретацію спеціальної теорії відносності, отримав модель Всесвіту, у якій коефіцієнт кривизни дорівнює нулю ( До = 0), тобто модель Всесвіту в евклідовому просторі.

М. Лобачевський, засновник неевклідової геометрії, проводив вимір кутів трикутника між віддаленими від Землі зірками і виявив, що сума кутів трикутника дорівнює 180 °, тобто простір у космосі є евклідовим. Спостережувана евклідовість простору Всесвіту є однією із загадок сучасної космології. В даний час вважається, що щільність речовини

у Всесвіті становить 0,1-0,2 частини від критичної густини. Критична щільність приблизно дорівнює 2 · 10 -29 г/см3. Досягнувши критичної щільності, Всесвіт почне стискатися.

Модель А. Фрідмана з «До > 0» - це Всесвіт, що розширюється, з вихідного

її стану, якого вона має знову повернутися. У цій моделі з'явилося поняття віку Всесвіту: наявність попереднього стану щодо спостерігається у певний момент.

Припустивши, що маса всього Всесвіту дорівнює 5 · 10 2 1 мас Сонця, А.

Фрідман розрахував, що Всесвіт знаходився в стислому стані.

за моделлю « K > 0» приблизно 10-12 млрд років тому. Після цього вона стала розширюватися, але це розширення не буде нескінченним і через певний час відбудеться знову стиснення Всесвіту. А. Фрідман відмовлявся обговорювати фізику початкового, стисненого стану Всесвіту, оскільки закони мікросвіту на той час були зрозумілі. Математичні висновки А. Фрідмана багаторазово перевірялися і перевірялися ще раз не тільки А. Ейнштейном, але й іншими вченими. Через певний час А. Ейнштейн у відповіді на лист А. Фрідмана визнав правильність цих рішень і назвав А. Фрідмана «першим ученим, який став на шлях побудови релятивістських моделей Всесвіту». На жаль, Фрідман рано помер. У його особі наука втратила талановитого вченого.

Як зазначалося вище, ні А. Фрідману, ні А. Ейнштейну були відомі дані факт «розбігання» галактик, отримані американським астрономом У. Слайфером (1875-1969) в 1912 р. До 1925 р. він виміряв швидкість руху кілька десятків галактик. Тому космологічні ідеї А. Фрідмана обговорювалися переважно у теоретичному плані. Новжев 1929

м.американськийастрономЕ. Хаббл (1889-1953) з допомогоютелескопа з приладами спектраного аналізувідкрил тадо називаєемійефект

«червоногоусунення».Світло, що йде від галактик, які він спостерігав,

зміщувався в червону частину спектра кольору видимого світла. Це говорило про те,

що галактики, що спостерігаються, видаляються, «розбігаються» від спостерігача.

Ефект «червоного усунення» - окремий випадок ефекту Доплера. Австрійський вчений К. Доплер (1803-1853) відкрив його в 1824 р. При видаленні джерела хвиль щодо приладу, що фіксує хвилі, довжина хвилі збільшується і стає коротшою при наближенні до нерухомого приймача хвилі. У разі світлових хвиль довгі хвилі світла відповідають червоному сегменту світлового спектру (червоний – фіолетовий), короткі – фіолетовому сегменту. Ефект «червоного усунення» був використаний Е. Хабблом для вимірювання відстаней до галактик та швидкості їх видалення: якщо «червоне усунення» від галактики А, наприклад, більше в два рази, чим від галактики В, та відстань до галактики Аудвічі більше, ніж до галактики Ст.

Е. Хаббл встановив, що всі галактики, що спостерігаються, видаляються по всіх напрямках небесної сфери зі швидкістю, пропорційною відстані до них: Vr = Нr, де r - відстань до спостережуваної галактики, що вимірюється в парсеках (1 пс приблизно дорівнює 3,1 10 1 6 м), Vr - швидкість руху галактики, що спостерігається, Η - постійна Хаббла, або коефіцієнт пропорційності між швидкістю руху галактики та відстанню до неї

від спостерігача. Небесна сфера – це поняття, яке використовується для опису об'єктів зоряного неба неозброєним оком. Давні вважали небесну сферу реальністю, внутрішній боці якої закріплені зірки. Обчислюючи значення цієї величини, яку потім стали називати постійною Хаббла, Еге. Хаббл дійшов висновку у тому, що вона дорівнює приблизно 500 км/(з Мпс). Інакше кажучи, відрізок простору один мільйон парсек збільшується за секунду на 500 км.

Формула Vr= Нr дозволяє розглядати як видалення галактик, і зворотну ситуацію, рух до якогось вихідному становищу, початку «розбігання» галактик у часі. Величина, зворотна постійної Хаббла, має розмірність часу: t(Час) = r/Vr = 1/H. При значенні Н, про який говорилося вище, Е. Хаббл отримав час початку «розбігання» галактик, що дорівнює 3 млрд років, що викликало в нього сумнів щодо правильності обчисленої їм величини. Користуючись ефектом «червоного усунення», Еге. Хаббл досяг найвіддаленіших галактик, відомих тоді: що далі галактика, тим менше сприймається нами її яскравість. Це дозволило Е. Хабблу говорити, що формула Vr = Hr висловлює спостерігається факт розширення Всесвіту, про який йшлося в моделі А. Фрідмана. Астрономічні дослідження Е. Хаббла стали розглядатися рядом вчених як досвідчені підтвердження правоти моделі А. Фрідмана про нестаціонарний, Всесвіт, що розширюється.

Вже у 30-ті роки деякі вчені висловлювали сумніви щодо даних

е. Хаббла. Наприклад, П. Дірак висловив гіпотезу про природне червоніння квантів світла в силу їхньої квантової природи, взаємодії з електромагнітними полями космічного простору. Інші вказували на теоретичну неспроможність постійної Хаббла: чому величина постійної Хаббла має бути в кожен момент часу однаковим в еволюції Всесвіту? Це стійке сталість постійної Хаббла передбачає, що відомі нам закони Всесвіту, які у Мегагалактиці, обов'язкові для всього Всесвіту загалом. Можливо, як кажуть критики постійної Хаббла, існують якісь інші закони, яким не відповідатиме постійна Хаббла.

Наприклад, кажуть вони, світло може «червоніти» за рахунок впливу на нього міжзоряного (МОЗ) та міжгалактичного (МГЗ) середовища, які можуть подовжувати довжину хвилі його руху до спостерігача. Іншим питанням, що викликало дискусії у зв'язку з дослідженнями Е. Хаббла, було питання про припущення можливості рухів галактик зі швидкістю, що перевищує швидкість світла. Якщо це можливо, то ці галактики можуть зникнути з нашого спостереження, оскільки із загальної теорії відносності ніякі сигнали не можуть бути передані швидше світла. Проте більшість учених вважають, що спостереження Е. Хаббла встановили факт розширення Всесвіту.

Факт розширення галактик значить розширення всередині самих галактик, оскільки їх структурна визначеність забезпечується дією внутрішніх сил гравітації.

Спостереження Е. Хаббла сприяли подальшому обговоренню моделей А. Фрідмана. БельгійськачернецьіастрономЖ.Леметр(впервиттяполовині минулого)століттязвернуввслухайсяанянаследмеобставина:розбігання галактикозначаєрозширенняпростору,отже,вминулому

булозменшенняобсягуіплстосункивества.Початкову щільність речовини Леметр назвав протоатомом із щільністю 1093 г/см 3 , з якого Богом був створений світ. З цієї моделі випливає, що поняття щільності речовини може бути використане для визначення межі застосування понять простору та часу. При щільності 1093 г/см 3 поняття часу і простору втрачають свій звичайний фізичний зміст. Ця модель привернула увагу до фізичного стану з надщільними та надгарячими фізичними параметрами. Крім цього, були запропоновані моделі пульсуючоїВсесвіту:Всесвіт розширюється і стискається, але ніколи не доходить до крайніх меж. Моделі пульсуючого Всесвіту надають великого значення виміру щільності енергії-речовини у Всесвіті. При досягненні критичної межі густини Всесвіт розширюється або стискається. В результаті з'явився термін «сингулярне»(Лат. singularus - окремий, одиничний) стан, у якому щільність і температура набувають нескінченного значення. Цей напрямок досліджень зіткнувся з проблемою «прихованої маси» Всесвіту. Справа в тому, що маса Всесвіту, що спостерігається, не збігається з її масою, обчисленою на основі теоретичних моделей.

Модель«Великоговибуху».Наш співвітчизник Г. Гамов (1904-1968)

працював у Петроградському університеті і був знайомий із космологічними ідеями

А. Фрідмана. У 1934 р. він був посланий у відрядження до США, де залишився до кінця свого життя. Під впливом космологічних ідей А. Фрідмана Г. Гамов зацікавився двома проблемами:

1) відносною поширеністю хімічних елементів у Всесвіті та 2) їх походженням. До кінця першої половини ХХ ст. велася жвава дискусія з цих проблем: де можуть утворюватися важкі хімічні елементи, якщо водень (1 1 Н) та гелій (4 Н) є найпоширенішими хімічними елементами у Всесвіті. Г. Гамов припустив, що хімічні елементи ведуть свою історію від початку розширення Всесвіту.

Модельр.Гамованазуєтьсямоделлю«Великоговибуху»,новонамає

ііншеназва:"А-Б-Г-теорія". У цій назві вказано початкові літери авторів статті (Альфер, Бете, Гамов), яка була опублікована в 1948 р. і містила модель «гарячого Всесвіту», але основна ідея цієї статті належала Г. Гамову.

Коротко про сутність цієї моделі:

1. «Вихідний початок» Всесвіту, за моделлю Фрідмана, був представлений надщільним і надгарячим станом.

2. Цей стан виник у результаті попереднього стиснення всієї матеріальної, енергетичної складової Всесвіту.

3. Цьому стану відповідав надзвичайно малий обсяг.

4. Енергія-матерія, досягнувши певної межі щільності та температури в цьому стані, вибухнула, стався Великий вибух, який Гамов назвав

«Космологічний Великий вибух».

5. Йдеться про незвичайний вибух.

6. Великий вибух надав певної швидкості руху всім фрагментам вихідного фізичного стану до Великого вибуху.

7. Оскільки вихідний стан був надгарячим, то розширення має зберегти залишки цієї температури по всіх напрямках Всесвіту, що розширюється.

8. Величина цієї залишкової температури має бути приблизно однаковою у всіх точках Всесвіту.

Це явище було названо реліктовим (давнім), фоновим вилученням.

1953 р. Г. Гамов вирахував хвильову температуру реліктового випромінювання. У нього

вийшло 10 К. Реліктове випромінювання – це мікрохвильове електромагнітне випромінювання.

У 1964 р. американські фахівці А. Пензіас та Р. Вільсон випадково виявили реліктове випромінювання. Встановивши антени нового радіотелескопа, вони могли позбутися перешкод у діапазоні 7,8 див. Ці перешкоди, шум йшли з космосу, однакові за величиною і за напрямами. Вимірювання цього фону випромінювання дали температуру менше 10 К.

Таким чином, гіпотеза Г. Гамова про реліктове, фонове випромінювання підтвердилася. У своїх роботах про температуру фонового випромінювання Г. Гамов використовував формулу А. Фрідмана, що виражає залежність зміни густини випромінювання у часі. У параболічній ( До> 0) моделі Всесвіту. Фрідман розглядав стан, коли випромінювання переважає над речовиною Всесвіту, що необмежено розширюється.

Згідно з моделлю Гамова у розвитку Всесвіту існувало дві епохи: а) переважання випромінювання (фізичного поля) над речовиною;

б) переважання речовини над випромінюванням. У початковий період випромінювання переважало над речовиною, потім був час, коли їхнє відношення було рівним, і період, коли речовина стала переважати над випромінюванням. Гамов визначив кордон між цими епохами – 78 млн років.

Наприкінці ХХ ст. виміру мікроскопічних змін фонового випромінювання, яку назвали брижіью,дозволили ряду дослідників стверджувати, що ця брижі представляє зміну щільності речовиниіенергіїввнаслідок дії сил гравітації на ранніх стадіях розвиткуВсесвіту.

Модель «ІнфляціонійВсесвіту».

Термін "інфляція" (лат. «inflation») трактується як здуття. Два дослідники А. Гут та П. Сейнхардт запропонували цю модель. У цій моделі еволюція Всесвіту супроводжується гігантським здуттям квантового вакууму: за 10 -30 с відбувається збільшення розмірів Всесвіту в 10-50 разів. Інфляція є адіабатичним процесом. Він пов'язаний з охолодженням та виникненням відмінності між слабкою, електромагнітною та сильною взаємодією. Аналогія роздування Всесвіту може бути, грубо кажучи, представлена ​​як раптова кристалізація переохолодженої рідини. Спочатку інфляційна фаза розглядалася як «друге народження» Всесвіту після Великого вибуху. Нині інфляційні моделі використовують поняття інфлатоногополя. Це гіпотетичне поле (від слова «інфляція»), в якому завдяки випадковим коливанням утворилася однорідна конфігурація цього поля розміром більше 10 -33 см. З неї відбулося розширення та розігрів Всесвіту, в якому ми живемо.

Опис подій у Всесвіті на основі моделі Інфляційного Всесвіту повністю збігається з описом на основі моделі Великого вибуху, починаючи з 10 -30 з розширення. Фаза роздування означає, що спостерігається Всесвіт становить лише частину Всесвіту. У підручнику Т. Я. Дубніщової «Концепції сучасного природознавства» пропонується наступний перебіг подій відповідно до моделі «Інфляційного Всесвіту»:

1) t - 10 – 4 5 с. До цього моменту після початку розширення Всесвіту її радіус становив приблизно 10 -50 см. Ця подія є незвичайною з погляду сучасної фізики. Передбачається, що передують події, що породжуються квантовими ефектами інфлатонного поля. Цей час менший за час «ери Планка» - 10 - 4 3 с. Але це не бентежить прихильників цієї моделі, які проводять обчислення з часом 10-50 с;

2) t - приблизно від 10 -43 до 10 -35 с - епоха "Великого об'єднання" або об'єднання всіх сил фізичної взаємодії;

3) t - приблизно від 10 - 3 5 до 10 -5 - швидка частина інфляційної фази,

коли діаметр Всесвіту збільшився у 10 5 0 разів. Йдеться про виникнення та утворення електронно-кваркового середовища;

4) t- приблизно від 10 -5 до 10 5 с відбувається спочатку утримання кварків в адронах, а потім утворення ядер майбутніх атомів, з яких у подальшому утворюється речовина.

З цієї моделі випливає, що через одну секунду від початку розширення Всесвіту йде процес виникнення речовини, роз'єднання його з фотонами електромагнітної взаємодії та утворення протонадскопи та протогалактик. Розігрівання відбувається внаслідок виникнення частинок і античастинок, що взаємодіють між собою. Цей процес називається анігіляцією (лат. nihil - Ніщо або перетворення на ніщо). Автори моделі вважають, що анігіляція асиметрична у бік утворення звичайних частинок, з яких складається наш Всесвіт. Таким чином, основна ідея моделі «Інфляційного Всесвіту» – виключити з космології поняття

"Великого вибуху" як особливого, незвичайного, виняткового стану в еволюції Всесвіту. Однак у цій моделі з'являється не менш незвичайний стан. Цей стан донфігурації танфлатонне поле.Вік Всесвіту у цих моделях оцінюється у 10-15 млрд років.

«Інфляційна модель» і модель «Великого вибуху» дають пояснення неоднорідності Всесвіту, що спостерігається (щільності згущення речовини). Зокрема, вважається, що при роздмухуванні Всесвіту виникли космічні неоднорідності-тектури як зародки агрегатів речовини, які надалі розрослися до галактик та їх скупчень. Про це свідчить зафіксоване 1992р. відхилення температури реліктового випромінювання від середнього його значення 2,7 До приблизно на 0,00003 К. Обидві моделі говорять про гарячий Всесвіт, що розширюється, в середньому однорідної і ізотропної щодо реліктового випромінювання. В останньому випадку мається на увазі факт практично однакового значення реліктового випромінювання у всіх частинах Всесвіту, що спостерігається, по всіх напрямках від спостерігача.

Існують альтернативні моделям «Великого вибуху» та «Інфляційної

Всесвіту»: моделі «Стаціонарного Всесвіту», «Холодного Всесвіту» та

«Самосзгоджена космологія».

Модель«СтаціонарнийВсесвіту».Ця модель була розроблена в 1948 р. Вона ґрунтувалася на принципі «космологічної сталості» Всесвіту: не тільки у Всесвіті не повинно бути жодного виділеного місця, а й у часі не має бути виділено жодного моменту. Авторами цієї моделі є Г. Бонді, Т. Голдом та Ф. Хойл, останній – широко відомий автор популярних книг з проблем космології. В одній зі своїх робіт він писав:

«Кожна хмара, галактика, кожна зірка, кожен атом мали початок, але не Всесвіт цілком, Всесвіт є чимось більшим, ніж його частини, хоча цей висновок може здатися несподіваним». Ця модель передбачає наявність у Всесвіті внутрішнього джерела, резервуара енергії, який підтримує щільність її енергії-матерії на «постійному рівні, що перешкоджає стиску Всесвіту». Наприклад, Ф. Хойл стверджував, що якби в одному відрі простору за кожні 10 млн. років виникав один атом, то щільність енергії, речовини та випромінювання у Всесвіті загалом буде постійною. Ця модель не пояснює, як виникли атоми хімічних елементів, речовина тощо.

д. Відкриття реліктового, фонового випромінювання сильно підірвало теоретичні основи цієї моделі.

Модель« ХолоднийВсесвітй». Модель була запропонована у шістдесятих

роках минулого століття радянським астрофізиком Я. Зельдовичем. Порівняння

теоретичних значень щільності та температури випромінювання за моделлю

«Великого вибуху» з даними радіоастрономії дозволило Я. Зельдовичу висловити гіпотезу, згідно з якою вихідним фізичним станом Всесвіту був холодний протонно-електронний газ із домішкою нейтрино: на кожен протон припадає один електрон та одне нейтрино. Виявлення реліктового випромінювання, що підтверджує гіпотезу про вихідний гарячий стан в еволюції Всесвіту, призвело Зельдовича до відмови від власної моделі «Холодного Всесвіту». Однак ідея обчислення співвідношень між кількістю різного типу частинок та поширеністю хімічних елементів у Всесвіті виявилася плідною. Зокрема, було встановлено, що щільність енергії-матерії у Всесвіті збігається із щільністю реліктового випромінювання.

Модель«Всесвітватомі».Ця модель стверджує, що існує насправді не одна, а безліч Всесвіту. Модель «Всесвіт в атомі» ґрунтується на понятті замкнутого світу за А. Фрідманом. Замкнутий світ - область Всесвіту, в якій сили тяжіння між її складовими дорівнюють енергії їхньої загальної маси. У цьому випадку зовнішні розміри такого Всесвіту можуть бути мікроскопічними. З погляду зовнішнього спостерігача це буде мікроскопічний об'єкт, а з погляду спостерігача всередині цього Всесвіту все виглядає інакше: свої галактики, зірки тощо. Ці об'єкти отримали назву фРідмон.Академік А. А. Марков висловив гіпотезу про те, що фрідмонів може бути необмежену кількість і вони можуть бути повністю незамкнутими, тобто у них є вхід у їхній світ і вихід (зв'язок) з іншими світами. Виходить безліч Всесвітів, або, як назвав в одній зі своїх робіт член-кореспондент АН СРСР І. С. Шкловський, - Метавсесвіт.

Ідея про множинність Всесвітів висловлена ​​А. Гутом, одним із авторів інфляційної моделі Всесвіту. У Всесвіті, що роздується, можливе утворення «аневризмів» (термін з медицини, означає випинання стінок кровоносних судин) від материнського Всесвіту. Відповідно до цього автору цілком можливе створення Всесвіту. Для цього потрібно стиснути 10 кг речовини

до розміру меншого, ніж одна квадрильйонна частина елементарної частинки.

ПИТАННЯ ДЛЯ САМОПРОВІРКИ

1. Модель "Великого вибуху".

2. Астрономічні дослідження Еге. Хаббла та його роль розвитку

сучасної космології.

3. Реліктове, фонове випромінювання.

4. Модель «Інфляційної Вселенної».

Модель Всесвіту. Стаціонарний Всесвіт. Зміст Модель Всесвіту 1 Стаціонарний Всесвіт 2 Наслідки 3 Польова теорія елементарних частинок 4 Фотон- нейтринні взаємодії 5 Червоне зміщення 6 Висновок 7 Моделі Всесвіту У XX столітті конкурували дві космологічні теорії - теорія Всесвіту, що розширюється (початковий стан, з якого виникла щільним, що могли існувати тільки елементарні частинки і випромінювання, потім всесвіт розширювався і охолоджувався, утворюючи зірки і галактики) і теорія стаціонарного Всесвіту (Всесвіт існував завжди, розрядження речовини, що спостерігається, компенсується його безперервним творінням). Стаціонарний Всесвіт Ейнштейн використовував всесвітні рівняння з ОТО і пов'язав кривизну простору-часу з матерією Всесвіту. Він довільно ввів "космічне відштовхування", яке було дуже мало, але утримувало Всесвіт від стягування в крапку. Теорія стаціонарного Всесвіту не заперечує розширення Всесвіту. Ідеї ​​безперервного творіння матерії виникали неодноразово. Так, у 1948 р. у групи вчених Кембриджського університету (Г. Бонд, Т. Голд та Ф. Хойл) народилася гіпотеза стаціонарного Всесвіту. Цілком можливо, що саме творіння нової матерії призводить до розширення Всесвіту, а не навпаки. Загальний вік стаціонарного Всесвіту-поняття безглузде. Щоб густота у Всесвіті залишалася незмінною, повинні постійно формуватися нові частки. Закон збереження матерії та енергії застосовується тільки до остаточних обсягів, і оскільки кожен 3 атом водню створений в 1 м, врівноважується таким же атомом, що залишає цей обсяг, закон збереження не порушується. Закон збереження може бути перевірений лише в обмеженому просторі. Сили, які змушують плазму утворювати такі постаті, змушують її утворювати також галактики, зірки і зіркові системи. Він вважає, що Всесвіт розширюється під впливом енергії, що виділяється при анігіляції частинок та античасток, але це розширення відбувається дещо повільніше. Наслідки Наслідки досліджень: 1) квазари мають невелику потужність випромінювання, а не перевищує на кілька порядків потужність випромінювання цілих галактик, як вважається в сучасній космології; 2) у квазарах речовина розлітається з до світловими швидкостями, а надсвітлові значення утворюються в результаті завищення розмірів Всесвіту. Причину старіння (почервоніння) квантів він бачить у гравітаційному зміщенні частоти випромінювання, яке пропорційно не відстані до джерела світла, а квадрату відстані. У цьому випадку розмір видимої частини Всесвіту не 15 млрд. світлових років, а 5. Є спірними твердження про "остаточну доведеність" гарячого походження Світобудови та швидкісну природу космологічного червоного зміщення. Е.Хаббл, який відкрив у 1929 р. закон космологічних червоних зміщень у 1936 р. опублікував перші наглядові докази помилковості уявлень про розбіг галактик. Зокрема встановлено, що емпіричні залежності, отримані за даними статистичної обробки близько ста каталогів позагалактичних об'єктів, узгоджуються з вихідними теоретичними співвідношеннями, виведеними на основі уявлень про стійкість Всесвіту та "старіння" фотонів. Загалом вони перебувають у непримиренних протиріччях із космологічними моделями теорії Великого Вибуху за будь-яких комбінаціях параметрів цих моделей. "...Ретельне дослідження можливих джерел помилок показує, що спостереження, мабуть, узгоджуються з уявленнями про нешвидкісну природу червоних зміщень. ...Теоретично досі триває релятивістське розширення Всесвіту, хоча спостереження і не дозволяють встановити характер розширення. Отже, дослідження простору закінчені на ноті невизначеності, але так і має бути, ми, за визначенням, у самому центрі області, що спостерігається, найближчих сусідів ми знаємо, мабуть, досить добре. Зрештою, наші можливості обмежені межами наших телескопів, а далі ми спостерігаємо тіні і шукаємо серед помилок вимірів орієнтири, які навряд чи є більш реальними. " (Хаббл " Світ туманностей " , 1936 р.) Польова теорія елементарних частинок Нині польова теорія елементарних частинок встановила механізм втрати фотонами частини енергії за її проходження через Всесвіт альтернативний ефекту Доплера і гіпотезі Большова взрыва. - Це фотон-нейтринні взаємодії, що ігноруються стандартною моделлю. Отже, червоне усунення не можна розглядати як доказ Великого вибуху і за величиною червоного усунення не можна судити про швидкість руху далеких об'єктів. Таким чином, ідея стаціонарного Всесвіту отримала несподівану підтримку і тому тепер її не можна скидати з рахунків. Фотоннейтринні взаємодії Відповідно до польової теорії елементарних частинок, електронне нейтрино (як і будь-яка інша елементарна частка) має постійне електричне і магнітне поле і змінне електромагнітне поле. Згідно з класичною електродинамікою, дані електромагнітні поля взаємодіятимуть з іншими електромагнітними полями, в тому числі і з електромагнітним полем фотона. Таким чином, проходження фотона через електронне нейтрино (яке викидається в гігантських кількостях зірками) або його молекулярне з'єднання (νe2) не виявиться для останнього не поміченим - нехай це буде дуже слабка зміна або зменшення енергії фотона, але воно буде. І чим більше фотон зустріне на своєму шляху електронних нейтрино або їх молекулярних сполук – тим більше енергії він втратить і відповідно сильнішим буде червоне зміщення. Одна справа, коли фотон летить паралельно з електронним нейтрино (що рухається з близько світловою швидкістю) одним курсом, коли вони були обидва випромінювані сонцем і зовсім інша справа, коли фотон стикається з електронним нейтрино, що спочиває, зі зв'язаним станом з двох електронних нейтрино (νe2), або з електронним нейтрино, випущеним іншою зіркою (яка рухається в іншому напрямку). Енергія, що втрачається фотоном від взаємодії з електронним нейтрино залежить від орієнтації спина електронного нейтрино, траєкторії по якій фотон проходить через електронне нейтрино, а також від енергії самого фотона. Це не просто порахувати, але можна виміряти за допомогою космічних апаратів та лазерів. 3 Необхідно відзначити, що дана взаємодія не відповідає стандартній моделі, оскільки остання наділяє елементарні частинки, що беруть участь у ньому, різними типами фундаментальних взаємодій:  Нейтрино-гіпотетична слабка взаємодія,  Фотон- електромагнітна взаємодія. Тому і робиться висновок про розбіг галактик на односторонньому тлумаченні червоного зміщення на користь ефекту Доплера. - На противагу цьому польова теорія елементарних частинок встановила наявність електромагнітних полів у всіх елементарних частинок, у тому числі й у такої невловимої елементарної частинки як у електронного нейтрино. Отже фотон та електронне нейтрино володіючи загальними електронними взаємодіями, згідно з класичною електродинамікою повинні взаємодіяти один з одним і в гіпотези "старіння світла" з'являється союзник-польова теорія елементарних частинок. І якщо відкинути стандартну модель помилковість, якої вже доведено, це автоматично скидає і " теорію Великого вибуху " рівня простої гіпотези, суперечить законам природи. Червоне усунення Протягом століть різні космологічні моделі змінювали одна одну, але вважалося абсолютно непорушним, що Всесвіт нескінченний у часі та просторі. Зоряне небо над головою було символом вічності та незмінності. Але в 1929 році, виходячи зі спостережень спектрів галактик, Едвін Хаббл сформулював свій закон, з якого випливає, що Всесвіт розширюється. Він звучить так: швидкості розбігання галактик зростають пропорційно відстані до них: v = Hr де v – швидкість видалення галактики від нас, r – відстань до неї, а H – постійна Хаббла. Н = 70 км / (з Мпк). Закон Хаббла зовсім не означає, що наша Галактика є центром, від якого йде розширення. У будь-якій точці Всесвіту спостерігач побачить ту саму картину: всі галактики тікають одна від одної. Тому кажуть, що розширюється простір. Розширення Всесвіту - це найбільше з відомих людству явищ природи. Чим швидше віддаляється від нас галактика, тим сильніше лінії у її спектрі будуть зміщені у бік червоного кольору, згідно з ефектом Доплера. 4 Ефект названий на честь християнина Андреас Доплера, який запропонував перше відоме фізичне пояснення явища в 1842 р. Гіпотеза була перевірена і підтверджена для звукових хвиль голландським Виборчим бюлетенем вченого Крістофа Хендріка Дідеріка Байса в 1845 р. хвиль, і особливо запропонувало, що змінні кольори зірок могли бути приписані їхньому руху щодо Землі. Це явище і називається «червоне усунення» - спостережуване всім далеких джерел (галактики, квазари) зниження частот випромінювання, що свідчить про динамічному видаленні цих джерел друг від друга і, зокрема, від нашої Галактики, тобто. про не стаціонарність (розширення) Метагалактики. Червоне усунення спостерігається й у випромінюваннях будь-яких інших частот, наприклад, у радіодіапазоні. Протилежний ефект, пов'язаний із підвищенням частот, називається фіолетовим зміщенням. Найчастіше термін «червоне зміщення» використовується для позначення двох явищ – космологічного та гравітаційного. Космологічним червоним усуненням називають спостережуване зміщення спектральних ліній у бік довгих хвиль від далекого космічного джерела (наприклад, галактики або квазара) в Всесвіті, що розширюється, в порівнянні з довжиною хвилі тих же ліній, виміряної від нерухомого джерела. Червоне зміщення також є мірою часу, що протік з початку розширення Всесвіту до моменту випромінювання світла в галактиці. Так, за сучасними астрономічними даними, найперші галактики утворилися в момент часу, що відповідає червоному зміщенню 5, тобто приблизно через 1/15 частина сучасного віку Всесвіту. Значить, світло від цих галактик йшло до нас приблизно 8,5 мільярдів років. Аж до початку нашого століття вчені вважали, що основні об'єкти у Всесвіті нерухомі по відношенню один до одного. Потім у 1913 році американський астроном Весто Мельвін Слайфер почав вивчати спектри світла, що приходить з десятка відомих туманностей і зробив висновок, що вони рухаються від землі зі швидкостями, що досягають мільйони миль на годину. Як Слайфер дійшов такого дивовижного висновку? Зазвичай астрономи використовували спектрографічний аналіз визначення хімічних елементів, присутніх у зірках. Було відомо, що спектр світла пов'язаний з певними елементами, що показують характерні зразки ліній, які є свого роду візитною карткою елемента. Слайфер зауважив, що у спектрах галактик, які він вивчав, лінії певних елементів були зміщені у бік червоного кінця спектра. Це цікаве явище і було названо "червоним зміщенням". 5 Тому вважається, червоне зміщення для галактик вперше було виявлено У. Слайфером, а 1929 р. Еге. Хаббл відкрив, що червоне зміщення для далеких галактик більше, ніж близьких, і зростає приблизно пропорційно відстані (закон Хаббла). Пропонувалися різні пояснення зсуву спектральних ліній, що спостерігається. Така, наприклад, гіпотеза про розпад світлових квантів за час, що становить мільйони і мільярди років, протягом якого світло далеких джерел досягає земного спостерігача; згідно з цією гіпотезою, при розпаді зменшується енергія, з чим пов'язана і зміна частоти випромінювання. Однак ця гіпотеза не підтверджується спостереженнями. Зокрема, червоне зміщення у різних ділянках спектра однієї й тієї джерела, у межах гіпотези, має бути різним. Тим часом усі дані спостережень свідчать, що червоне зміщення залежить від частоти. Відносна зміна частоти Z = (fo - f")/fo абсолютно однаково для всіх частот випромінювання не тільки в оптичному, а й у радіодіапазоні даного джерела (fo - частота деякої лінії спектра джерела, f" - частота тієї ж лінії, що реєструється приймачем) . У теорії відносності доплерівське червоне зміщення розглядають як результат уповільнення перебігу часу в системі відліку, що рухається (ефект спеціальної теорії відносності). Фотографування спектрів слабких (далеких) джерел для вимірювання червоного зміщення, навіть при використанні найбільших інструментів та чутливих фотопластинок, потребує сприятливих умов спостережень та тривалих експозицій. Для галактик впевнено вимірюються зміщення Z = 0,2, відповідні швидкості V = 60 000 км/сек та відстані понад 1 млрд. пс. При таких швидкостях і відстанях закон Хаббла застосовується у найпростішій формі (похибка близько 10%, тобто така сама, як похибка визначення Н). Квазари в середньому в сто разів яскравіші за галактики і, отже, можуть спостерігатися на відстанях у десять разів більших (якщо простір евклідовий). Для квазарів справді реєструються Z = 2 і більше. При зсувах Z = 2 швидкість V = 240 000 км/сек. Вважають, що за таких швидкостях вже позначаються специфічні космологічні ефекти – не стаціонарність і кривизна простору-часу; зокрема, стає незастосовним поняття єдиної однозначної відстані (одна з відстаней - відстань по червоному зміщенню - тут становить, очевидно, R = V/H = 4,5 млрд. пс). Таким чином, вважають, що червоне усунення свідчить про розширення всієї доступної спостереженням частини Всесвіту; це явище зазвичай називається розширенням (астрономічного) Всесвіту. Гравітаційне червоне усунення вважають наслідком уповільнення темпу часу обумовленого гравітаційним полем (ефект загальної теорії відносності). Це явище (називається також ефектом Ейнштейна, узагальненим ефектом Доплера) було передбачено А. Ейнштейном в 1911, спостерігалося, починаючи з 1919 спочатку в випромінюванні Сонця, а потім і деяких інших зірок. Гравітаційне червоне зміщення прийнято 6 характеризувати умовною швидкістю V, формально обчислюваної за тими ж формулами, що і у випадках космологічного червоного зміщення. Значення умовної швидкості: Сонця V = 0,6 км/сек, для щільної зірки Сіріус V = 20 км/сек. У 1959 р. вперше вдалося виміряти червоне усунення, зумовлене гравітаційним полем Землі, яке дуже мало: V = 7,5×10^-5 см/сек (досвід Паунда - Ребки). У деяких випадках (наприклад, при гравітаційному колапсі) має спостерігатися червоне усунення обох типів (у вигляді сумарного ефекту). Наявність галактик червоного зміщення (z) дозволяє з великою точністю визначати відстані до них за формулою: R=zc/H. Деякі квазари мають велике червоне усунення. Такі об'єкти видаляються зі швидкістю, близькою до швидкості світла. Червоні усунення виміряно у сотень тисяч галактик. Найдальші з них знаходяться на відстані 12 мільярдів світлових років. Висновок, про розширення Всесвіту випливав із загальної теорії відносності Ейнштейна, але навіть сам Ейнштейн спочатку сприйняв це зі скепсисом, тому що це була ідея поступальної еволюції, і в ній був початок, або як кажуть сьогодні момент народження, що, звичайно, цілком суперечило існуючим поняттям нескінченної у часі та просторі Всесвіту. Тим не менш, ця ідея була підтверджена спостереженнями і є загальноприйнятою в науковому світі. У 1946 році Георгій Гамов та його колеги розробили фізичну гіпотезу початкового етапу розширення Всесвіту (теорія гарячого Всесвіту), що правильно пояснює наявність у ній хімічних елементів, у певних пропорціях, їх синтезом за дуже високих температур і тиску. Тому початок розширення Всесвіту з теорії Гамова назвали «Великим Вибухом». У своїй основі ця теорія передбачає, що на початку вся матерія у Всесвіті була сконцентрована всередині мізерно малого обсягу нескінченно великої температури та тиску. Потім, згідно зі сценарієм, вона вибухнула із жахливою силою. Цей вибух породив перегрітий іонізований газ, чи плазму. Ця плазма однорідно розширювалася, доки не охолонула настільки, що перетворилася на звичайний газ. Усередині цієї охолоджуваної хмари газу, що розширюється, сформувалися галактики, і всередині галактик народжувалися покоління зірок. Потім довкола зірок сформувалися планети, такі як наша Земля. Але мало людей усвідомлюють такий факт, що навіть із найпотужніших телескопів неможливо реально побачити рух галактик від нас. Картини, які ми бачимо - нерухомі, і вчені не претендують показати їхній видимий рух, навіть якщо спостереження продовжуватимуться століттями. 7 Отже, щоб дізнатися про розширення Всесвіту чи ні, необхідно розглянути світло та інші сорти випромінювань, які доходять до нас, перетинаючи області міжзоряного простору. Зображення, що формуються з цих випромінювань, прямо не показують розширення Всесвіту, але тонкі особливості випромінювання переконали вчених, що це розширення має місце. Вчені роблять перше припущення, що закони фізики застосовні без зміни всюди у Всесвіті. Потім вони намагаються зрозуміти, як процеси, що підкоряються цим законам, породжують світло, що спостерігається. Щоб зрозуміти, як вчені, використовуючи цей шлях для аналізу світла, роблять висновок, що Всесвіт розширюється, заглянемо в історію астрономії та астрофізики. Астрономи, спостерігаючи небеса, давно вже помітили, що на додачу до окремих зірок і планет на небі існувало багато тіл, що слабо світяться. Вони назвали їх "nebulae". Це латинське слово, що означає "хмара" або "туманність". І пізніше, з розвитком їхньої концепції, ці об'єкти назвали галактиками. Більшою за розміром, ніж повний місяць, і настільки тьмяним, що ледве видно неозброєним оком, виглядає сусідня галактика Андромеда. На початку нашого століття астрономи звернули потужні нові телескопи до цієї та інших галактик і виявили, що вони є великими островами з мільярдів зірок. На далеких відстанях виявили цілі скупчення галактик. До відкриття зірок у Андромеді думали, що це небесні тіла розташовані всередині кордонів нашої галактики. Але у зв'язку з розвитком концепції та відкриттям інших, більш далеких, галактик усе змінилося. Розміри Всесвіту розширилися межі розуміння. Відкривши явище «червоного усунення» В.Слайфер почав пояснювати його ефектом Доплера, звідки можна дійти невтішного висновку, що галактики рухаються від нас. Це був перший великий крок до ідеї, що весь Всесвіт розширюється. Ефект Доплера часто пояснюють, використовуючи приклад із гудком поїзда, який змінює висоту звуку, при русі поїзда повз нас. Це явище вперше науково вивчалося у 1842 році австрійським фізиком Християном Джоанном Доплером. Він припускав, що інтервали між звуковими хвилями, випромінюваними від об'єкта, що рухається у напрямку спостерігача, стискаючись, піднімають висоту тону звуку. Подібним чином, інтервали між звуковими хвилями, що досягають спостерігача від джерела, що від нього рухається, подовжуються, і, таким чином, висота звуку знижується. Повідомлялося, що Доплер перевіряв цю ідею, помістивши трубачів на залізничній платформі, що рухається локомотивом. Музиканти з досконалим слухом уважно слухали, коли повз них проїжджали трубачі, і вони підтвердили аналіз Доплера. 8 Доплер пророкував подібний ефект і для світлових хвиль. Для світла, збільшення в довжині хвилі відповідає зсуву у напрямку до червоного кінця спектру. Тому спектральні лінії об'єкта, що переміщається від спостерігача, повинні зміститися до червоного кінця спектра. Сліфер вибрав для інтерпретації спостереження галактик ефект Доплера. Він помітив червоне усунення і вирішив, що галактики повинні віддалятися від нас. Інший крок, який веде до переконання у розширенні Всесвіту, було зроблено у 1917 році, коли Ейнштейн опублікував свою теорію відносності. До Ейнштейна вчені завжди припускали, що простір тягнеться нескінченно в усіх напрямках, і що геометрія простору Евклідова і тривимірна. Але Ейнштейн припустив, що простір може мати іншу геометрію - чотиривимірний викривлений замкнутий простір-час. Відповідно до теорії Ейнштейна існує безліч форм, які можуть набувати простору. Одна з них – замкнутий простір без кордонів, схожий на поверхню сфери; інша - негативно викривлений простір, який нескінченно простягається у всіх напрямках. Сам Ейнштейн думав, що Всесвіт статичний, і він пристосував своє рівняння для цього. Але майже в той же час датський астроном Вільям де Сіттер знайшов рішення рівняння Ейнштейна, яке передбачало швидке розширення Всесвіту. Така геометрія простору має змінюватися з часом. Робота де Сіттера викликала інтерес серед астрономів усього світу. Серед них – Едвін Хаббл. Він був присутній на конференції Американського Астрономічного Товариства у 1914 році, коли Слайфер доповідав про свої оригінальні знахідки у русі галактик. У 1928 році в знаменитій обсерваторії Маунт Вільсон, Хаббл взявся за роботу в спробі поєднати теорію де Сіттера про Всесвіт, що розширюється, і спостереження Сайфера віддалених галактик. Хаббл міркував приблизно так: У Всесвіті, що розширюється, ви повинні очікувати видалення галактик один від одного. І, більш далекі галактики будуть віддаляться один від одного швидше. Це має означати, що з будь-якої точки, включаючи Землю, спостерігач повинен бачити, що всі інші галактики віддаляються від нього, і в середньому більш далекі галактики повинні рухатися швидше. Хаббл думав, що якби це було вірно і спостерігалося насправді, то виявилося б, що існує пропорційна залежність між відстанню до галактики та ступенем червоного зміщення в їхньому спектрі. Він спостерігав, що в спектрах більшості галактик має місце червоне усунення, і галактики на великих відстанях від нас мають більше червоне усунення. Хаббл не знав, наскільки віддалена від нас кожна дана галактика і тому запропонував використати таку ідею: «Ми можемо почати оцінювати відстані до найближчих зірок за допомогою різних методів. Потім, крок за кроком, ми можемо побудувати «сходи космічних відстаней», яка дасть нам оцінку відстаней до деяких галактик. Якщо ми зможемо оцінювати властиву яскравість галактик, тоді ми зможемо знайти відношення відстані до невідомої галактики до відстані до відомої, вимірюючи видиму яскравість галактики. Ця залежність підпорядковується закону зворотного кореня. Тут ми не будемо вникати в деталі комплексної процедури для обґрунтування сходів відстаней. Зауважимо лише, що ця процедура включає багато теоретичних інтерпретацій, в яких багато сумнівних місць, і, які піддавалися ревізії, часто в несподіваних місцях. Це виявлятиметься в міру викладу». Хаббл, використовуючи свій метод апроксимації відстаней, обґрунтував пропорційну залежність, відому зараз як закон Хаббла, між величиною червоного зміщення та відстанню до галактики. Він вважав, що ясно показав те, що найбільш далекі галактики мають найбільші червоні усунення і тому рухаються від нас найшвидше. Він прийняв це як достатній доказ, що Всесвіт розширюється. З часом ця ідея так твердо обгрунтувалася, що астрономи почали застосовувати її навпаки: Якщо відстань пропорційно до червоного зміщення, то за виміряним червоним зміщенням можна просто обчислити відстань до галактик. Але, як ми помітили, відстані Хаббла визначені не прямим виміром відстані до галактик. Навпаки, вони отримані опосередковано, з виміру видимої яскравості галактик. Таким чином, модель Всесвіту, що розширюється, має дві потенційні вади: по-перше, яскравість небесних об'єктів може залежати від інших факторів, а не тільки від відстані, і таким чином, відстані, обчислені з видимих ​​яскравостей галактик, можуть бути недійсними; по-друге, можливо, що червоне усунення не пов'язане зі швидкістю. Фактично, кілька астрономів стверджують, деякі червоні усунення не викликані ефектом Доплера. І досі стоїть питання про правильність концепції Всесвіту, що розширюється. Астрономом, який поставив під сумнів інтерпретацію, що всі червоні усунення викликані ефектом Доплера, є Хельтон Арп. На Паломарі він спостерігав багато прикладів суперечливих червоних зміщень, які підпорядковуються закону Хаббла. Аналізуючи їх, він припустив, що червоні усунення у випадку можуть бути викликані іншими, відмінними від ефекту Доплера, механізмами. Тут постає питання, чому вчені інтерпретують червоні зміщення виключно ефектом Доплера. Може бути правильно те, що ефект 10 Доплера викликає червоне зміщення, але звідки, напевно, можна знати, що червоне зміщення викликане саме ефектом Доплера? Однією з головних причин такого висновку є те, що згідно з сучасною фізикою червоне усунення може викликати, крім ефекту Доплера, тільки потужне гравітаційне поле. Якщо світло рухається проти гравітаційного поля, він частково втрачає свою енергію і відчуває червоне усунення. Однак, астрономи не знаходять таке пояснення прийнятним для зірок і галактик, тому що, щоб викликати червоне зміщення, що спостерігається, гравітаційне поле має бути неправдоподібно сильним. Арп повідомляє, що він знайшов об'єкт з великим червоним усуненням в безпосередній близькості від іншого, що має мале червоне усунення. Відповідно до стандартної теорії Всесвіту, що розширюється, об'єкт з малим червоним зміщенням повинен бути відносно ближче до нас, а об'єкт з великим червоним зміщенням повинен бути далі. Таким чином, два об'єкти, що знаходяться близько один до одного, повинні мати приблизно однакові червоні усунення. Однак, Арп наводить наступний приклад: Спіральна галактика NGC 7603 пов'язана з сусідньою галактикою за допомогою моста, що світиться, і тим не менш сусідня галактика має червоне зміщення на 8000 кілометрів в секунду більше ніж спіральна галактика. Якщо судити з різниці їхніх червоних зміщень, галактики мають бути у значних відстанях одна від одної, певно, сусідня галактика має знаходитися на 478 мільйонів світлових років далі – вже дивно, адже дві галактики досить близькі для фізичного контакту. Порівняння їх наша Галактика відстає від найближчої сусідки, галактики Андромеди, всього на 2 мільйони світлових років. Звичайно, є прихильники стандартної точки зору, які не згодні з інтерпретацією Арпа. Вони вважають, що об'єкти насправді розташовані далеко один від одного, а їхня видима близькість тільки здається. Так званий міст, що світиться, існує, але більш далека галактика тільки випадково виявилася ззаду моста вздовж нашого променя зору. Проте, Арп зазначає значну поверховість у міркуваннях противників його ідеї: «Галактика, що вони показують, у разі незвична. Міст, що світиться, до зірки є просто одним з його звичайних спіральних рукавів». Однак у прикладі Арпа міст є незвичайною структурою, яка не є нормою в таких галактиках. Імовірність того, що дві галактики зазначених типів розташуються в такій конфігурації набагато менше, ніж ймовірність того, що зірка Чумацького Шляху стане на одній лінії зі звичайною галактикою. Арп знайшов багато інших прикладів, які суперечать традиційному розумінню червоного усунення. Тут представлено одне з найбільш спірних відкриттів. Квазар Makarian 205, поблизу спіральної галактики NGC 4319 візуально пов'язаний з галактикою за допомогою моста, що світиться. Галактика має 11 червоне зміщення 1,800 кілометрів на секунду, що відповідає відстані близько 107 мільйонів світлових років. Квазар має червоне усунення 21,000 кілометрів на секунду, який повинен означати, що він знаходиться на відстані 1,24 мільярда світлових років. Але Арп припустив, що ці об'єкти безумовно пов'язані і це показує, що стандартна інтерпретація червоного усунення є хибною в цьому випадку. (Можна помітити, до речі, той факт, що астрономи виражають червоне зміщення за кілометри на секунду. Це показує їхню прихильність до ідеї, яка пояснює червоне зміщення ефектом Доплера.) Критики заявили, що не знайшли сполучного моста, показаного у картині Арпа на фотографії галактики NGC 4319. Інші повідомили, що міст є "підробленим фотографічним ефектом". Але пізніше Джек М.Сулентик з Алабамського університету зробив велике фотометричне дослідження цих двох об'єктів і зробив висновок, що сполучний міст реальний. Іншим прикладом суперечливого червоного зміщення, помічений Арпом, є знахідка надзвичайно незвичайної ланцюга галактик, званої, Воронцов-Вельяминов 172, на честь російського першовідкривача. У цьому ланцюжку галактик менший, компактніший член має червоне зміщення вдвічі більше ніж інші. Окрім пари галактик із суперечливими червоними зсувами, Арп звернув увагу на дещо навіть дивніше - виявляється, що квазари та галактики можуть викидати інші квазари та галактики. Тут наводяться кілька прикладів: галактика NGC 520, що вибухає, має явно мале червоне зміщення. Чотири слабкі квазари розташовані вздовж прямої лінії, що рухаються на південний схід від галактики. Арп довів, що ці слабкі квазари єдині у цьому регіоні. Чи може бути простою випадковістю, що вони вишикувалися майже в одну лінію від галактики? Арп стверджував, що такий шанс вкрай малий і припустив, що квазари вивергаються з галактики, що вибухає. Досить цікаво, що квазари мають червоне усунення набагато більше, ніж галактика, яка, здається, є їхнім батьком. Примітно, що згідно зі стандартною теорією червоного зміщення, квазари мають бути набагато далі, ніж галактика. Арп інтерпретує цей та інші подібні приклади, припускаючи, що щойно вивергнуті квазари народжуються з великими червоними усуненнями, і поступово, їх червоні усунення зменшуються з часом. Деякі вчені ставлять питання, чи реально для галактики викидати інші масивні об'єкти, такі як галактики або квазари. У відповідь Арп вказує на вражаючу фотографію гігантської галактики М87, що вивергає струмінь матерії. Коли ми розглядаємо еліптичні галактики в регіоні навколо галактики М87 (теж еліптичного типу), ми бачимо, що вони всі падають у напрямку струменя матерії, що вивергається. Астрономи припускають, як і Арп, що ці галактики викинуті з М87. 12 Як може одна галактика випускати іншу галактику? Якщо галактика є "острівним всесвітом", що складається з великого агрегату зірок і газу, як вона може випускати іншу галактику, що є таким же агрегатом із зірок і газу? Цілком імовірно, що радіоастрономія може дати ключ. Останнім часом радіоастрономи запевняють, що великі області радіоемісії можна викинути з галактик. Ці емісійні області існують у парах з кожного боку деяких галактик. Для пояснення цього, астрономи постулюють існування гігантських чорних дірок, що обертаються, в центрі галактики, які пожирають найближчі зірки і випльовують матерію в обох напрямках уздовж осі обертання. Тим не менш, якщо аналіз Арпа вірний, він не тільки пояснює області емісійного випромінювання, які можуть складатися з тонкого газу, але й такий факт, що начинка галактики або попередники галактик можуть вилітати. Повертаючись до червоних зсувів таких галактик, що вилітають, і квазарів, Арп знайшов наступне: Вивергнуті об'єкти володіють набагато більшим червоним зміщенням, ніж їх батько, хоча і знаходяться в безпосередній близькості від нього. Арп пояснює це лише тим, що їхні червоні усунення не викликані ефектом Доплера. Так що астрономи вимірюють не швидкість, з якою об'єкт видаляється. Швидше за все, червоне усунення пов'язані з реальним фізичним станом об'єкта. Однак ці закони фізики не дають відповіді на питання, що за стан це може бути. Досі думають, що галактика складається з окремих зірок плюс хмар газу та пилу. Які ж якості вона може мати, щоб у результаті отримати червоне усунення, викликане не ефектом Доплера чи гравітацією? Це не можна пояснити в термінах відомих фізичних законів. Звичайно, знахідки Арпа дуже спірні, і багато астрономів сумніваються, що такий зв'язок між галактиками та квазарами може бути дійсно реальним. Але це лише одна лінія доказу, яка передбачає, що стандартна інтерпретація червоного зміщення галактик може бути змінена. Висновок Гіпотеза Великого вибуху, як і раніше, залишається не доведеним припущенням (або просто кажучи - є казкою), а ідея Стаціонарного Всесвіту потребує подальшого дослідження. Яка теорія виникне потім – час покаже. Всесвіт не такий порожній, як здається. У ній йдуть процеси перетворення і перенесення енергії (у тому числі і тими ж нейтрино - не видимими переносниками енергії) і фізика 13 має зрозуміти, описати і пояснити все це, а не вигадувати всякі правдоподібні математичні казки. Зараз фізика не може однозначно сказати, який реальний вік Всесвіту і чи можна його якось виміряти. Але тепер цілком ясно, що 13,7 млрд. років тому всесвіт був, у ньому були галактики з зірками, у зірок були планети, на частині планет було життя, на деяких розумне і тоді мислячі істоти теж задавалися питанням який реальний вік. 14

Гіпотеза багатолистої моделі Всесвіту

Передмова автора сайту:до уваги читачів сайту "Знання-сила" пропонуються фрагменти з 29-го розділу книги Андрія Дмитровича Сахарова «Спогади». Академік Сахаров розповідає про роботи у галузі космології, які він вів уже після того, як почав активно займатися правозахисною діяльністю – зокрема, у горьківському засланні. Цей матеріал представляє безперечний інтерес на тему "Всесвіт", що обговорюється в даному розділі нашого сайту. Ми познайомимося з гіпотезою багатолистої моделі Всесвіту та іншими проблемами космології та фізики. ...І, звичайно, згадаємо наше недавнє трагічне минуле.

Академік Андрій Дмитрович Сахаров (1921-1989).

У Москві 70-ті роки й у Горькому я продовжував спроби займатися фізикою та космологією. Мені в ці роки не вдалося висунути істотно нових ідей, і я продовжував розробляти ті напрямки, які вже були представлені у моїх роботах 60-х років (і описані у першій частині цієї книги). Ймовірно, це доля більшості вчених після досягнення ними деякого граничного для них віку. Втім, я не втрачаю надії, що і мені, можливо, щось ще «блисне». При цьому я маю сказати, що й просто спостереження за науковим процесом, у якому сам не береш участі, але знаєш, що до чого, - приносить глибоку внутрішню радість. У цьому сенсі я не жадібний.

1974 року я зробив, а 1975 року опублікував роботу, в якій розвивав ідею нульового лагранжіана гравітаційного поля, а також ті методи розрахунку, які я застосовував у попередніх роботах. При цьому виявилося, що я прийшов до методу, багато років тому запропонованого Володимиром Олександровичем Фоком, а потім Юліаном Швінгером. Проте мій висновок і шлях побудови, методи були зовсім іншими. На жаль, я не зміг послати своєї роботи Фоку - він саме тоді помер.

Згодом я виявив у своїй статті деякі помилки. У ній залишилося не з'ясованим до кінця питання, чи дає «індукована гравітація» (сучасний термін, що застосовується замість терміна «нульовий лагранжіан») правильний знак гравітаційної постійної в будь-яких варіантах, які я розглядав.<...>

Три роботи – одна опублікована до моєї висилки та дві після висилки – присвячені космологічним проблемам. У першій роботі я обговорюю механізми виникнення баріонної асиметрії. Деякий інтерес, можливо, представляють загальні міркування про кінетику реакцій, що призводять до баріонної асиметрії Всесвіту. Однак у цій роботі я веду міркування у межах свого старого припущення про наявність «комбінованого» закону збереження (зберігається сума чисел кварків і лептонів). Я вже писав у першій частині спогадів, як я прийшов до цієї ідеї та чому я вважаю її зараз неправильною. Загалом ця частина роботи видається мені невдалою. Набагато більше мені подобається та частина роботи, де я пишу про багатолистової моделі Всесвіту . Йдеться про припущення, що космологічне розширення Всесвіту змінюється стисненням, потім новим розширенням таким чином, що цикли стиснення - розширення повторюються нескінченне число разів. Такі космологічні моделі давно привертали увагу. Різні автори називали їх «пульсуючими»або «осцилюючими»моделями Всесвіту. Мені більше подобається термін «багатолиста модель» . Він видається більш виразним, більш відповідним емоційному та філософському змісту грандіозної картини багаторазового повторення циклів буття.

До того часу, поки припускали збереження , багатолиста модель зустрічалася, проте, з непереборною труднощами, що з одного з основних законів природи - другого початку термодинаміки.

Відступ. У термодинаміці вводиться певна характеристика стану тіл, що називається . Мій тато колись згадував про стару науково-популярну книгу, яка називалася «Цариця Світу та її тінь». (Я, на жаль, забув, хто автор цієї книги.) Цариця – це, звісно, ​​енергія, а тінь – ентропія. На відміну від енергії, на яку існує закон збереження, для ентропії другий початок термодинаміки встановлює закон зростання (точніше - незменшення). Процеси, у яких сумарна ентропія тіл не змінюється, називаються (вважаються) оборотними. Приклад оборотного процесу – механічний рух без тертя. Оборотні процеси - абстракція, граничний випадок незворотних процесів, що супроводжуються збільшенням сумарної ентропії тіл (при терті, теплообміні тощо). Математично ентропія визначається як величина, приріст якої дорівнює припливу тепла, поділеному на абсолютну температуру (додатково приймається - точніше, випливає із загальних принципів, - що ентропія при абсолютному нулі температури та ентропія вакууму дорівнюють нулю).

Числовий приклад для наочності. Якесь тіло, що має температуру 200 градусів, віддає при теплообміні 400 калорій другому тілу, що має температуру 100 градусів. Ентропія першого тіла зменшилася на 400/200, тобто. на 2 одиниці, а ентропія другого тіла зросла на 4 одиниці; Сумарна ентропія зросла на 2 одиниці, відповідно до вимог другого початку. Зауважимо, що цей результат є наслідок того факту, що тепло передається від гарячішого тіла до холоднішого.

Зростання сумарної ентропії при нерівноважних процесах зрештою призводить до нагрівання речовини. Звернемося до космології, до багатолистих моделей. Якщо ми при цьому припускаємо число баріонів фіксованим, то ентропія, що припадає на баріон, зростатиме необмежено. Речовина з кожним циклом необмежено нагріватися, тобто. умови у Всесвіті не повторюватимуться!

Важко усувається, якщо відмовитися від припущення про збереження баріонного заряду і вважати, відповідно до моєї ідеєю 1966 року та її подальшим розвитком багатьма іншими авторами, що баріонний заряд виникає з «ентропії» (тобто нейтральної гарячої речовини) на ранніх стадіях космологічного розширення Всесвіту. І тут число утворюються баріонів пропорційно ентропії кожному циклі розширення - стискування, тобто. умови еволюції речовини, утворення структурних форм може бути приблизно однаковими у кожному циклі.

Я вперше ввів термін «багатолиста модель» у роботі 1969 року. У своїх останніх статтях я вживаю той самий термін у дещо іншому сенсі; я згадую тут про це, щоб уникнути непорозумінь.

У першій із трьох останніх статей (1979 року) розглянуто модель, у якій простір у середньому передбачається плоским. Припущено також, що космологічна стала Ейнштейна не дорівнює нулю і негативна (хоча і дуже мала по абсолютній величині). І тут, як свідчать рівняння теорії тяжіння Ейнштейна, космологічне розширення неминуче змінюється стиском. При цьому кожен цикл повністю повторює попередній за своїми середніми характеристиками. Істотно, що модель є просторово плоскою. Розгляду поряд із плоскою геометрією (геометрією Евкліда) також геометрії Лобачевського та геометрії гіперсфери (тривимірний аналог двовимірної сфери) присвячені дві наступні роботи. У цих випадках виникає одна проблема. Збільшення ентропії призводить до збільшення радіусу Всесвіту у відповідні моменти кожного циклу. Екстраполюючи в минуле, ми отримуємо, що кожному даному циклу могло передувати лише кінцеве число циклів.

У «стандартної» (однолистої) космології є проблема: що було до моменту максимальної щільності? У багатолистих космологіях (крім випадку просторово плоскої моделі) від цієї проблеми не вдається піти – питання переноситься на момент початку розширення першого циклу. Можна стати на думку, що початок розширення першого циклу чи, у разі стандартної моделі, єдиного циклу - це Момент Створення Світу, і тому питання, що було раніше, лежить поза наукового дослідження. Однак, можливо, так само - або, на мою думку, більше - правомірний і плідний підхід, що допускає необмежену наукове дослідження матеріального світу і простору - часу. При цьому, мабуть, немає місця Акту Творіння, але основна релігійна концепція божественного сенсу Буття не торкається наукою, лежить поза її межами.

Мені відомі дві альтернативні гіпотези, що стосуються обговорюваної проблеми. Одна з них, як мені здається, вперше висловлена ​​мною в 1966 році і піддавалася низці уточнень у подальших роботах. Це гіпотеза «повороту стріли часу». Вона тісно пов'язана з так званою проблемою оборотності.

Як я вже писав, у природі немає повністю оборотних процесів. Тертя, теплопередача, випромінювання світла, хімічні реакції, життєві процеси характеризуються незворотністю, разючою відмінністю минулого від майбутнього. Якщо зняти на плівку якийсь незворотний процес і потім пустити фільм у зворотний бік, то ми побачимо на екрані те, що не може відбуватися насправді (наприклад, маховик, що обертається за інерцією, збільшує швидкість свого обертання, а підшипники охолоджуються). Кількісно незворотність виявляється у монотонному зростанні ентропії. Водночас атоми, електрони, атомні ядра, що входять до складу всіх тіл і т.п. рухаються за законами механіки (квантової, але це тут несуттєво), які мають повну оборотність у часі (в квантовій теорії поля - з одночасним СР-відбиттям, див. в першій частині). Несиметрія двох напрямів часу (наявність «стріли часу», як кажуть) при симетрії рівнянь руху давно вже звернула на себе увагу творців статистичної механіки. Обговорення цього питання розпочалося ще останні десятиліття минулого століття і відбувалося іноді досить бурхливо. Рішення, яке більш-менш влаштувало всіх, полягало в гіпотезі, що асимметрія обумовлена ​​початковими умовами руху і становищем усіх атомів і полів «у нескінченно віддаленому минулому». Ці початкові умови мають бути в певному точному сенсі «випадковими».

Як я припустив (у 1966 році і в більш явній формі - у 1980 році), у космологічних теоріях, що мають виділену точку за часом, слід відносити ці випадкові початкові умови не до нескінченно віддаленого минулого (t -> - ∞), а до цієї виділеної точки (t = 0).

Тоді автоматично в цій точці ентропія має мінімальне значення, а при віддаленні від неї у часі вперед або назад ентропія зростає. Це є те, що я назвав «поворотом стріли часу». Оскільки при зверненні стріли часу звертаються всі процеси, зокрема інформаційні (включаючи процеси життя), жодних парадоксів немає. Викладені вище ідеї про навернення стріли часу, наскільки я знаю, не отримали визнання у науковому світі. Але вони видаються мені цікавими.

Поворот стріли часу відновлює в космологічній картині світу симетрію двох напрямків часу, властиву рівнянням руху!

У 1966-1967 pp. я припустив, що в точці повороту стріли часу відбувається СРТ-відображення. Це припущення було однією з відправних точок моєї роботи з баріонної асиметрії. Тут я викладу іншу гіпотезу (Кіржніц, Лінде, Гут, Тернер та інші доклали руку; мені тут належить лише зауваження, що має місце поворот стріли часу).

У сучасних теоріях передбачається, що вакуум може існувати в різних станах: стійкому, що володіє з великою точністю, що дорівнює нулю щільністю енергії; і нестійкому, що має величезну позитивну щільність енергії (ефективної космологічної постійної). Останній стан іноді називають «хибним вакуумом».

Одне з рішень рівнянь загальної теорії відносності таких теорій таке. Всесвіт замкнутий, тобто. у кожний момент є «гіперсферою» кінцевого обсягу (гіперсфера - тривимірний аналог двовимірної поверхні сфери, гіперсферу можна уявляти собі «вкладеною» в чотиривимірний евклідівський простір, так само як двовимірна сфера «вкладається» у тривимірний простір). Радіус гіперсфери має мінімальне кінцеве значення в певний момент часу (позначимо його t = 0) і зростає при віддаленні цієї точки як вперед, так і назад за часом. Ентропія дорівнює нулю для хибного вакууму (як і для будь-якого вакууму взагалі) і при віддаленні від точки t = 0 вперед або назад у часі зростає внаслідок розпаду хибного вакууму, що переходить у стійкий стан істинного вакууму. Таким чином, у точці t = 0 відбувається поворот стріли часу (але немає космологічної СРТ-симетрії, яка вимагає в точці відображення нескінченного стиснення). Так само, як у випадку СРТ-симетрії, всі заряди, що зберігаються, тут теж рівні нулю (з очевидної причини - при t = 0 вакуумний стан). Тому в цьому випадку також необхідно припустити динамічне виникнення баріонної асиметрії, що спостерігається, обумовлене порушенням СР-інваріантності.

Альтернативна гіпотеза про передісторію Всесвіту полягає в тому, що насправді існує не один Всесвіт і не дві (як - у певному сенсі слова - в гіпотезі повороту стріли часу), а безліч кардинально відрізняються один від одного і виникли з деякого «первинного» простору (або складових його частинок; це, можливо, просто інший спосіб вираження). Інші Всесвіти і первинний простір, якщо є сенс говорити про нього, можуть, зокрема, мати в порівнянні з «нашим» Всесвітом інше число «макроскопічних» просторових і тимчасових вимірів - координат (у нашому Всесвіті - три просторових і один тимчасовий вимір; інших Всесвітів все може бути інакше!) Я прошу не звертати особливої ​​уваги на укладене в лапки прикметник «макроскопічних». Воно пов'язане з гіпотезою «компактизації», за якою більшість вимірів компактифіковано, тобто. замкнуте саме на себе в дуже малих масштабах.

Структура "Мега-Всесвіту"

Передбачається, що між різними Всесвітами немає причинного зв'язку. Саме це виправдовує їхнє трактування як окремих Всесвітів. Я називаю цю грандіозну структуру "Мега-Всесвіт". Деякі автори обговорювали варіанти таких гіпотез. Зокрема, гіпотезу багаторазового народження замкнутих (близько гіперсферичних) Всесвітів захищає в одній із своїх робіт Я.Б. Зельдович.

Ідеї ​​«Мега-Всесвіту» надзвичайно цікаві. Можливо, істина лежить саме у цьому напрямі. Для мене в деяких із цих побудов є, однак, одна неясність дещо технічного характеру. Цілком припустимо припустити, що умови у різних галузях простору абсолютно різні. Але обов'язково закони природи мають бути всюди і завжди одними й тими самими. Природа не може бути схожою на Королеву в казці Керролла «Аліса в країні чудес», яка сваволі змінювала правила гри в крокет. Буття не гра. Мої сумніви ставляться до тих гіпотез, які допускають розрив безперервності простору часу. Чи допустимі такі процеси? Чи не є вони порушенням у точках розриву саме законів природи, а не «умов буття»? Повторюю, я не впевнений, що це обґрунтовані побоювання; може, я знову, як у питанні про збереження числа ферміонів, виходжу із надто вузької точки зору. Крім того, цілком можливі гіпотези, де народження Всесвітів відбувається без порушення безперервності.

Припущення, що спонтанно відбувається народження багатьох, а можливо, нескінченного числа відмінних своїми параметрами Всесвітів і що Всесвіт, що оточує нас, виділено серед безлічі світів саме умовою виникнення життя і розуму, отримало назву «антропного принципу» (АП). Зельдович пише, що перший відомий йому розгляд АП в контексті Всесвіту, що розширюється, належить Ідлісу (1958 рік). У концепції багатолистого Всесвіту антропний принцип теж може грати роль, але для вибору між послідовними циклами чи їх областями. Ця можливість розглядається в моїй роботі «Багатолисті моделі Всесвіту». Одна з труднощів багатолистих моделей полягає в тому, що освіта «чорних дірок» та їх злиття настільки порушує симетрію на стадії стиснення, що незрозуміло, чи придатні при цьому умови наступного циклу для утворення високоорганізованих структур. З іншого боку, у досить тривалих циклах відбуваються процеси розпаду баріонів та випаровування чорних дірок, що призводять до вигладжування всіх неоднорідностей густини. Я припускаю, що сукупна дія цих двох механізмів – утворення чорних дірок та вирівнювання неоднорідностей – призводить до того, що відбувається послідовна зміна «гладших» і «обуреніших» циклів. Наш цикл, за припущенням, передував «гладкий» цикл, під час якого чорні дірки не утворилися. Для визначеності можна розглядати замкнутий Всесвіт з «хибним» вакуумом у точці повороту стріли часу. Космологічна стала в цій моделі може вважатися рівною нулю, зміна розширення стисненням відбувається просто за рахунок взаємного тяжіння звичайної речовини. Тривалість циклів зростає внаслідок зростання ентропії при кожному циклі і перевищує будь-яке задане число (прагне нескінченності), так що умови розпаду протонів та випаровування «чорних дірок» виконуються.

Багатолисті моделі дають у відповідь так званий феномен великих чисел (інше можливе пояснення - в гіпотезі Гута та інших, що передбачає тривалу стадію «роздування», див. главі 18).

Планета на околиці далекого кульового зоряного скупчення. Художник © Don Dixon

Чому загальна кількість протонів і фотонів у Всесвіті кінцевого об'єму така неосяжна велика, хоча і звичайно? І інша форма цього питання, що відноситься до «відкритого» варіанта, - чому таке велике число частинок у тій галузі нескінченного світу Лобачевського, обсяг якої порядку А 3 (А - радіус кривизни)?

Відповідь, яка дається багатолистою моделлю, дуже проста. Передбачається, що з моменту t = 0 пройшло вже багато циклів, під час кожного циклу збільшувалася ентропія (тобто число фотонів) і відповідно в кожному циклі генерувався все більший баріонний надлишок. Відношення числа баріонів до фотонів у кожному циклі при цьому постійно, тому що воно визначається динамікою початкових стадій розширення Всесвіту в даному циклі. Загальна кількість циклів з моменту t = 0 саме таке, що вийшло число фотонів і баріонів. Так як зростання їх числа відбувається в геометричній прогресії, то для необхідного числа циклів ми отримаємо навіть не дуже велике значення.

Побічним результатом моєї роботи 1982 є формула для ймовірності гравітаційного злипання чорних дірок (використано оцінку в книзі Зельдовича і Новікова).

З багатолистими моделями пов'язана ще одна можливість, що інтригує уяву, точніше - мрія. Може бути, високоорганізований розум, що розвивається мільярди мільярдів років протягом циклу, знаходить спосіб передати в закодованому вигляді якусь найціннішу частину інформації, що є у нього, своїм спадкоємцям у наступних циклах, відокремлених від даного циклу в часі періодом надщільного стану?.. передача живими істотами від покоління до покоління генетичної інформації, спресованої і закодованої в хромосомах ядра заплідненої клітини. Ця можливість, звичайно, абсолютно фантастична, і я не наважився писати про неї в наукових статтях, але на сторінках цієї книги дав собі волю. Але й незалежно від цієї мрії гіпотеза багатолистої моделі Всесвіту видається мені важливою у світоглядному філософському плані.

Шановні відвідувачі!

Оформляються у вигляді моделей походження та розвитку Всесвіту. Це пов'язано з тим, що в космології неможливо поставити експерименти, що відтворюються, і вивести з них якісь закони, як це робиться в інших природничих науках. Крім того, кожне космічне явище є унікальним. Тому космологія оперує моделями. У міру накопичення нових знань про навколишній світ уточнюються і розробляються нові, космологічні моделі.

Класична космологічна модель

Успіхи космології та космогонії у XVIII-XIX ст. завершилися створенням класичної поліцентричної картини світу, яка стала початковим етапом розвитку наукової космології.

Ця модель досить проста і зрозуміла.

1. Всесвіт вважається нескінченним у просторі та в часі, іншими словами, вічним.

2. Основним законом, керуючим рухом та розвитком небесних тіл, є закон всесвітнього тяжіння.

3. Простір ніяк не пов'язане з тілами, що знаходяться в ньому, граючи пасивну роль вмістилища для цих тіл.

4. Час також залежить від матерії, будучи універсальної тривалістю всіх природних явищ і тіл.

5. Зникни раптом усі тіла, простір і час збереглися б незмінними. Кількість зірок, планет та зіркових систем у Всесвіті нескінченно велика. Кожне небесне тіло проходить тривалий шлях життя. На зміну загиблим, точніше, погаслим, зіркам приходять нові, молоді світила.

Хоча деталі виникнення і загибелі небесних тіл залишалися незрозумілими, в основному ця модель здавалася стрункою та логічно несуперечливою. У такому вигляді класична поліцентрична модель проіснувала в науці до початку XX століття.

Однак у цій моделі Всесвіту було кілька недоліків.

Закон всесвітнього тяжіння пояснював доцентрове прискорення планет, але не говорив, звідки взялося прагнення планет, а також будь-яких матеріальних тіл рухатися рівномірно і прямолінійно. Для пояснення інерційного руху довелося допустити існування в ній божественного «первоштовху», що привів у рух усі матеріальні тіла. З іншого боку, корекції орбіт космічних тіл також допускалося втручання Бога.

Поява у межах класичної моделі про космологічних парадоксів - фотометричного, гравітаційного, термодинамического. Прагнення їх вирішення також спонукало вчених до пошуків нових несуперечливих моделей.

Таким чином, класична поліцентрична модель Всесвіту лише частково мала науковий характер, вона не змогла дати наукового пояснення походження Всесвіту і тому була замінена іншими моделями.

Релятивістська модель Всесвіту

Нова модель Всесвіту була створена 1917 р. А. Ейнштейном. Її основу склала релятивістська теорія тяжіння – загальна теорія відносності. Ейнштейн відмовився від постулатів абсолютності та нескінченності простору та часу, проте зберіг принцип стаціонарності, незмінності Всесвіту у часі та його кінцівки у просторі. Властивості Всесвіту, на думку Ейнштейна, визначаються розподілом у ньому гравітаційних мас, Всесвіт безмежний, але при цьому замкнутий у просторі. Відповідно до цієї моделі, простір однорідно і ізотропно, тобто. у всіх напрямках має однакові властивості, матерія розподілена у ньому рівномірно, час нескінченно, яке протягом не впливає властивості Всесвіту. На підставі проведених розрахунків Ейнштейн зробив висновок, що світовий простір є чотиривимірною сферою.

При цьому не слід уявляти цю модель Всесвіту у вигляді звичайної сфери. Сферичний простір є сфера, але сфера чотиривимірна, що не піддається наочному уявленню. За аналогією можна зробити висновок, що обсяг такого простору кінцевий, як кінцева поверхня будь-якої кулі, її можна виразити кінцевим числом квадратних сантиметрів. Поверхня кожної чотиривимірної сфери також виражається кінцевим числом кубометрів. Такий сферичний простір немає кордонів, й у сенсі воно безмежно. Летячи в такому просторі в одному напрямку, ми зрештою повернемося до вихідної точки. Але в той же час муха, що повзуть поверхнею кулі, ніде не знайде меж і перешкод, що забороняють їй рухатися в будь-якому обраному напрямку. У цьому сенсі поверхню будь-якої кулі безмежна, хоч і кінцева, тобто. Безмежність і нескінченність – це різні поняття.

Отже, з розрахунків Ейнштейна випливало, що наш світ є чотиривимірною сферою. Обсяг такого Всесвіту може бути виражений хоч і дуже великим, але все ж таки кінцевим числом кубометрів. В принципі можна облетіти весь замкнутий Всесвіт, рухаючись весь час в одному напрямку. Така уявна подорож подібна до земних навколосвітніх подорожей. Але кінцевий за обсягом Всесвіт у той же час безмежний, як не має меж поверхню будь-якої сфери. Всесвіт Ейнштейна містить хоч і велику, але все ж таки кінцеву кількість зірок і зіркових систем, а тому до неї непридатні фотометричний і гравітаційний парадокси. У той же час примара теплової смерті тяжіє і над Всесвітом Ейнштейна. Такий Всесвіт, кінцевий у просторі, неминуче йде до свого кінця в часі. Вічність їй не властива.

Таким чином, незважаючи на новизну і навіть революційність ідей, Ейнштейн у своїй космологічній теорії орієнтувався на звичну класичну світоглядну установку статичності світу. Його приваблював гармонійний і стійкий світ, ніж світ суперечливий і нестійкий.

Модель Всесвіту, що розширюється.

Модель Всесвіту Ейнштейна стала першою космологічною моделлю, що базується на висновках загальної теорії відносності. Це з тим, що саме тяжіння визначає взаємодія мас великих відстанях. Тому теоретичним ядром сучасної космології виступає теорія тяжіння – загальна теорія відносності. Ейнштейн допускав у своїй космологічній моделі наявність певної гіпотетичної відштовхувальної сили, яка мала забезпечити стаціонарність, незмінність Всесвіту. Однак подальший розвиток природознавства внесло істотні корективи до цього уявлення.

П'ять років по тому, в 1922 р., радянський фізик і математик А. Фрідман на основі суворих розрахунків показав, що Всесвіт Ейнштейна не може бути стаціонарним, незмінним. При цьому Фрідман спирався на сформульований ним космологічний принцип, який будується на двох припущеннях: про ізотропність та однорідність Всесвіту. Ізотропність Всесвіту сприймається як відсутність виділених напрямів, однаковість Всесвіту у всіх напрямах. Однорідність Всесвіту розуміється як однакова всіх точок Всесвіту: ми можемо проводити спостереження в будь-якій з них і скрізь побачимо ізотропний Всесвіт.

Фрідман на основі космологічного принципу довів, що рівняння Ейнштейна мають інші, нестаціонарні рішення, згідно з якими Всесвіт може або розширюватися, або стискатися. У цьому йшлося про розширення самого простору, тобто. про збільшення всіх відстаней світу. Всесвіт Фрідмана нагадував мильний міхур, що роздмухується, у якого і радіус, і площа поверхні безупинно збільшуються.

Спочатку модель Всесвіту, що розширюється, носила гіпотетичний характер і не мала емпіричного підтвердження. Однак у 1929 р. американський астроном Еге. Хаббл виявив ефект «червоного усунення» спектральних ліній (зміщення ліній до червоного кінця спектра). Це було витлумачено як наслідок ефекту Допплера - зміна частоти коливань чи довжини хвиль через рух джерела хвиль і спостерігача стосовно друг до друга. "Червоне зміщення" було пояснено як наслідок видалення галактик один від одного зі швидкістю, що зростає з відстанню. Згідно з останніми вимірами, збільшення швидкості розширення становить приблизно 55 км/с на кожен мільйон парсек.

В результаті своїх спостережень Хаббл обгрунтував уявлення, що Всесвіт - це світ галактик, що наша Галактика - не єдина в ній, що існує безліч галактик, розділених між собою величезними відстанями. Водночас Хаббл дійшов висновку, що міжгалактичні відстані не залишаються незмінними, а збільшуються. Таким чином, в природознавстві з'явилася концепція Всесвіту, що розширюється.

Яке ж майбутнє чекає на наш Всесвіт? Фрідман запропонував три моделі розвитку Всесвіту.

У першій моделі Всесвіт розширюється повільно для того, щоб через гравітаційне тяжіння між різними галактиками розширення Всесвіту сповільнювалося і врешті-решт припинялося. Після цього Всесвіт починав стискатися. У цій моделі простір викривляється, замикаючись він, утворюючи сферу.

У другій моделі Всесвіт розширювався нескінченно, а простір викривлений як поверхня сідла і при цьому нескінченно.

У третій моделі Фрідмана простір плоский і теж нескінченний.

По якому з цих трьох варіантів йде еволюція Всесвіту, залежить від відношення гравітаційної енергії до кінетичної енергії речовини, що розлітається.

Якщо кінетична енергія розльоту речовини переважає над гравітаційною енергією, що перешкоджає розльоту, то сили тяжіння не зупинять розбігання галактик, і розширення Всесвіту матиме незворотний характер. Цей варіант динамічної моделі Всесвіту називають відкритим Всесвітом.

Якщо ж переважає гравітаційна взаємодія, то темп розширення з часом сповільниться до повної зупинки, після чого почнеться стиснення речовини аж до Всесвіту у вихідний стан сингулярності (точковий об'єм з нескінченно великою щільністю). Такий варіант моделі названий осцилюючим, або закритим, Всесвітом.

У граничному випадку, коли сили гравітації точно рівні енергії розльоту речовини, розширення не припиниться, але його швидкість згодом прагнутиме нуля. Через кілька десятків мільярдів років після початку розширення Всесвіту настане статки, які можна назвати квазістаціонарними. Теоретично можлива і пульсація Всесвіту.

Коли Еге. Хаббл показав, що далекі галактики розбігаються друг від друга з дедалі більшою швидкістю, було зроблено однозначний висновок у тому, що наш Всесвіт розширюється. Але Всесвіт, що розширюється, - це Всесвіт, що змінюється, світ з усією своєю історією, що має початок і кінець. Постійна Хаббла дозволяє оцінити час, протягом якого триває процес розширення Всесвіту. Виходить, що воно не менше ніж 10 млрд. і не більше 19 млрд. років. Найбільш вірогідним часом існування Всесвіту, що розширюється, вважають 15 млрд. років. Такий приблизний вік нашого Всесвіту.

Думка вченого

Існують і інші, аж до найекзотичніших, космологічні (теоретичні) моделі, що базуються на загальній теорії відносності. Ось що говорить з приводу космологічних моделей професор математики Кембриджського університету Джон Барроу:

«Природне завдання космології полягає в тому, щоб якнайкраще зрозуміти виникнення, історію та устрій нашого власного Всесвіту. У той же час ОТО навіть без запозичень з інших розділів фізики дозволяє розрахувати майже необмежену кількість різних космологічних моделей. Звичайно, вибір їх виробляється на основі астрономічних та астрофізичних даних, за допомогою яких можна не лише протестувати різні моделі на відповідність реальності, але й вирішити, які їх компоненти можна об'єднати для найбільш адекватного опису нашого світу. Саме так виникла нинішня стандартна модель Всесвіту. Так що навіть тільки з цієї причини розмаїття космологічних моделей, що історично склалося, виявилося дуже корисним.

Але річ не тільки в цьому. Багато моделей було створено, коли астрономи ще накопичили того багатства даних, які мають сьогодні. Наприклад, справжній ступінь ізотропії Всесвіту був встановлений завдяки космічній апаратурі лише протягом останніх двох десятиліть. Зрозуміло, що в минулому модельєри космосу мали набагато менше емпіричних обмежень. Крім того, не виключено, що навіть екзотичні за нинішніми мірками моделі в майбутньому стануть у нагоді для опису тих частин Всесвіту, які поки що недоступні для спостереження. І нарешті, винахід космологічних моделей може легко підштовхнути прагнення знайти невідомі рішення рівнянь ОТО, але це теж сильний стимул. Загалом, достаток таких моделей цілком зрозумілий і виправданий.

Так само виправдано і союз космології і фізики елементарних частинок, що нещодавно відбувся. Його представники розглядають ранню стадію життя Всесвіту як природну лабораторію, ідеально придатну для вивчення основних симетрій нашого світу, що визначають закони фундаментальних взаємодій. Цей союз вже започаткував цілий віяло принципово нових і дуже глибоких космологічних моделей. Немає сумніву, що й у майбутньому він принесе щонайменше плідні результати».

Спочатку Всесвіт був згустком порожнечі, що розширюється. Його розпад призвів до Великого вибуху, у вогнедишній плазмі якого кувалися перші хімічні елементи. Потім гравітація мільйони років стискала газові хмари, що остигають. І ось спалахнули перші зірки, висвітливши грандіозний Всесвіт із трильйонами блідих галактик… Ця картина світу, підтримана найвидатнішими астрономічними відкриттями XX століття, стоїть на солідному теоретичному фундаменті. Але є фахівці, яким вона не до вподоби. Вони наполегливо шукають у ній слабкі місця, сподіваючись, що на зміну нинішньої прийде інша космологія.

На початку 1920-х років петербурзький учений Олександр Фрідман, припустивши для простоти, що речовина однорідно заповнює весь простір, знайшов рішення рівнянь загальної теорії відносності (ОТО), що описують нестаціонарний Всесвіт, що розширюється. Навіть Ейнштейн не сприйняв це відкриття всерйоз, вважаючи, що Всесвіт повинен бути вічним і незмінним. Щоб описати такий Всесвіт, він навіть увів у рівняння ОТО особливий «антигравітаційний» лямбда-член. Фрідман невдовзі помер від черевного тифу, і його рішення було забуте. Наприклад, Едвін Хаббл, який працював на найбільшому у світі 100-дюймовому телескопі обсерваторії Маунт-Вільсон, нічого не чув про ці ідеї.

До 1929 Хаббл виміряв відстані до кількох десятків галактик і, зіставивши їх з раніше отриманими спектрами, несподівано виявив, що чим далі знаходиться галактика, тим сильніше зміщені в червоний бік її спектральні лінії. Найпростіше було пояснити червоне усунення ефектом Доплера. Але тоді виходило, що всі галактики швидко віддаляються від нас. Це було так дивно, що астроном Фріц Цвіккі висунув дуже сміливу гіпотезу «втомленого світла», згідно з якою це не галактики віддаляються від нас, а кванти світла в ході довгої подорожі зазнають якогось опору своєму руху, поступово втрачають енергію і червоніють. Потім, звісно, ​​згадали ідею розширення простору, і виявилося, що у цю дивну забуту теорію добре вкладаються щонайменше дивні нові спостереження. На руку моделі Фрідмана було й те, що походження червоного усунення в ній виглядає дуже схожим на звичайний ефект Доплера: навіть сьогодні не всі астрономи розуміють, що «розбігання» галактик у просторі зовсім не те саме, що розширення самого простору з «вмороженими» у нього галактиками.

Гіпотеза «втомленого світла» тихо зійшла зі сцени до кінця 1930-х років, коли фізики відзначили, що фотон втрачає енергію лише взаємодіючи з іншими частинками, і при цьому обов'язково хоч трохи змінюється напрямок його руху. Так що зображення далеких галактик у моделі «втомленого світла» мають розпливатися, як у тумані, а вони помітні цілком чітко. У результаті ще недавно альтернативна загальноприйнятим уявленням Фрідманівська модель Всесвіту завоювала загальну увагу. (Втім, сам Хаббл до кінця життя, в 1953 році, припускав, що розширення простору може бути лише ефектом, що здається).

Двічі альтернативний стандарт

Але якщо Всесвіт розширюється, значить раніше він був щільнішим. Подумки звертаючи назад її еволюцію, учень Фрідмана фізик-ядерник Георгій Гамов зробив висновок, що ранній Всесвіт був настільки гарячим, що в ньому йшли реакції термоядерного синтезу. Гамов спробував пояснити ними поширеність хімічних елементів, але «зварити» в первинному котлі йому вдалося лише кілька видів легких ядер. Виходило, що, крім водню, у світі має бути 23—25% гелію, сота частка відсотка дейтерію та мільярдна частка літію. Теорію синтезу важчих елементів у зірках пізніше розробив зі своїми колегами конкурент Гамова — астрофізик Фред Хойл.

У 1948 році Гамов також передбачив, що від розпеченого Всесвіту повинен зберегтися слід, що спостерігається — мікрохвильове випромінювання, що остигло, з температурою кілька градусів Кельвіна, що йде з усіх боків на небі. На жаль, пророцтво Гамова повторило долю моделі Фрідмана: його випромінювання ніхто не поспішав шукати. Теорія гарячого Всесвіту здавалася надто екстравагантною, щоб ставити для її перевірки дорогі експерименти. До того ж у ній вбачали паралелі з божественним творінням, від якого багато вчених дистанціювалися. Скінчилося тим, що Гамов закинув космологію і переключився на генетику, що зароджувалася на той час.

Популярність же в 1950-х роках завоювала нова версія теорії стаціонарного Всесвіту, розроблена тим самим Фредом Хойлом спільно з астрофізиком Томасом Голдом і математиком Германом Бонді. Під тиском відкриття Хаббла вони визнали розширення Всесвіту, але не його еволюцію. За їхньою теорією, розширення простору супроводжується спонтанним народженням атомів водню, тому середня щільність Всесвіту залишається незмінною. Це, звичайно, порушення закону збереження енергії, але вкрай незначне — не більше одного атома водню мільярд років на кубометр простору. Хойл назвав свою модель "теорією безперервного творіння" і ввів спеціальне C-поле (від англ. creation - творіння) з негативним тиском, який змушував Всесвіт роздмухуватися, підтримуючи при цьому постійну щільність матерії. Утворення всіх елементів, у тому числі легенів, Хойл у пік Гамову пояснював термоядерними процесами в зірках.

Передбачене Гамовим космічний мікрохвильовий фон випадково помітили майже через 20 років. Його першовідкривачі отримали Нобелівську премію, а гарячий Всесвіт Фрідмана - Гамова швидко витіснив конкуруючі гіпотези. Хойл, щоправда, не здавався і, захищаючи свою теорію, стверджував, що мікрохвильове тло породжене далекими зірками, світло яких розсіюється і перевипромінюється космічним пилом. Але тоді свічення неба має бути плямистим, а воно майже ідеально однорідне. Поступово накопичувалися і дані щодо хімічного складу зірок та космічних хмар, які також узгоджувалися з гамовською моделлю первинного нуклеосинтезу.

Так двічі альтернативна теорія Великого вибуху стала загальноприйнятою, або, як модно сьогодні говорити, перетворилася на науковий мейнстрім. І ось уже школярів вчать, що Хаббл відкрив вибух Всесвіту (а не залежність червоного усунення від відстані), і космічне мікрохвильове випромінювання з легкої руки радянського астрофізика Йосипа Самуїловича Шкловського стає реліктовим. Модель гарячого Всесвіту «прошивається» у свідомості людей буквально на рівні мови.

Чотири причини червоного усунення

Яку з них обрати для пояснення закону хабла — залежності червоного усунення від відстані?

Підкоп під основи

Але природа людини така, що варто лише в суспільстві зміцнитися черговою безперечною ідеєю, як одразу знаходяться охочі посперечатися. Критику стандартної космології можна умовно поділити на концептуальну, що вказує на недосконалість її теоретичних основ, та астрономічну, що приводить конкретні важкі для пояснення факти та спостереження.

Головна мета концептуальних атак - звичайно, загальна теорія відносності (ОТО). Ейнштейн дав напрочуд гарний опис гравітації, ототожнивши її з кривизною простору-часу. Однак з ОТО випливає існування чорних дірок, дивних об'єктів, в центрі яких матерія стиснута в точку нескінченної щільності. У фізиці поява нескінченності завжди вказує на межі застосування теорії. При надвисоких щільностях ОТО має бути замінена квантовою гравітацією. Але всі спроби запровадити у ВТО принципи квантової фізики провалилися, що змушує фізиків шукати альтернативні теорії гравітації. Десятки їх було збудовано у XX столітті. Більшість не витримала експериментальної перевірки. Але кілька теорій поки що тримаються. Серед них, наприклад, польова теорія гравітації академіка Логунова, в якій немає викривленого простору, немає сингулярностей, а отже, немає ні чорних дір, ні Великого вибуху. Скрізь, де можна експериментально перевірити передбачення таких альтернативних теорій гравітації, вони збігалися з передбаченнями ОТО, і лише в екстремальних випадках — при надвисоких щільностях або дуже великих космологічних відстанях — їх висновки різняться. А отже, іншими мають бути будова та еволюція Всесвіту.

Нова космографія

Колись Йоган Кеплер, намагаючись теоретично пояснити співвідношення радіусів планетних орбіт, вкладав один в одного правильні багатогранники. Описані та вписані в них сфери здавалися йому найпрямішим шляхом до розгадки устрою світобудови — «Космографічної таємниці», як він назвав свою книгу. Пізніше, спираючись на спостереження Тихо Браге, він відкинув давню ідею небесної досконалості кіл і сфер, зробивши висновок, що планети рухаються еліпсами.

Багато сучасних астрономів теж скептично ставляться до умоглядних побудов теоретиків і вважають за краще черпати натхнення, дивлячись у небо. А там видно, що наша Галактика, Чумацький Шлях, входить до складу невеликого скупчення, званого Місцевою групою галактик, яке притягується до центру величезної хмари галактик у сузір'ї Діви, відомого як Місцеве надскупчення. Ще в 1958 році астроном Джордж Абель опублікував каталог 2712 скупчень галактик північного неба, які, у свою чергу, групуються в надскупчення.

Погодьтеся, несхоже на однорідно заповнений речовиною Всесвіт. Але без однорідності моделі Фрідмана не отримати режим розширення, що узгоджується із законом Хаббла. І разючу гладкість мікрохвильового фону теж не пояснити. Тому в ім'я краси теорії однорідність Всесвіту було оголошено Космологічним принципом, і від спостерігачів чекали на його підтвердження. Звичайно, на невеликих за космологічними мірками відстанях — у сотню розмірів Чумацького Шляху — домінує тяжіння між галактиками: вони рухаються орбітами, стикаються і зливаються. Але, починаючи з певного масштабу відстаней, Всесвіт просто має стати однорідною.

У 1970-х роках спостереження ще не дозволяли з упевненістю сказати, чи існують структури розміром більше кількох десятків мегапарсек, і слова «великомасштабна однорідність Всесвіту» звучали як охоронна мантра фридманівської космології. Але вже на початку 1990-х ситуація кардинально змінилася. На кордоні сузір'їв Риб та Кита відкрили комплекс надскопиць розміром близько 50 мегапарсек, до якого входить Місцеве надскоплення. У сузір'ї Гідри виявили спочатку Великий Атрактор розміром 60 мегапарсек, а потім за ним величезне надскупчення Шеплі втричі більшого розміру. І це не поодинокі об'єкти. Тоді ж астрономи описали Велику Стіну – комплекс довжиною 150 мегапарсек, і список продовжує поповнюватись.

До кінця століття виробництво 3D-карт Всесвіту поставили на потік. За одну експозицію на телескопі одержують спектри сотень галактик. Для цього робот-маніпулятор за відомими координатами розставляє у фокальній площині ширококутної камери Шмідта сотні оптичних волокон, що передають світло кожної окремої галактики спектрографічну лабораторію. У найбільшому на сьогодні огляді SDSS вже визначено спектри та червоні усунення мільйона галактик. А найбільшою відомою структурою у Всесвіті залишається поки що Велика Стіна Слоуна, відкрита в 2003 році за даними попереднього огляду CfA-II. Її протяжність складає 500 мегапарсек - це 12% відстані до горизонту Фрідманівського Всесвіту.

Поряд із концентраціями матерії відкрито також багато пустельних областей простору — війдів, де немає ні галактик, ні навіть загадкової темної матерії. Багато хто з них перевищує за розмірами 100 мегапарсек, а в 2007 році американська Національна радіоастрономічна обсерваторія повідомила про відкриття Великого Війду діаметром близько 300 мегапарсек.

Саме існування таких грандіозних структур кидає виклик стандартної космології, в якій неоднорідності розвиваються за рахунок гравітаційного нудьгування речовини з мізерних флуктуацій густини, що залишилися після Великого вибуху. При власних швидкостях руху галактик їм за весь час життя Всесвіту не пройти більше десятка-другого мегапарсек. І як тоді пояснити концентрацію речовини розміром у сотні мегапарсек?

Темні сутності

Строго кажучи, модель Фрідмана «у чистому вигляді» не пояснює формування навіть невеликих структур — галактик і скупчень, якщо не додати до неї одну особливу сутність, що не спостерігається, придуману в 1933 році Фріцем Цвіккі. Вивчаючи скупчення у сузір'ї Волос Вероніки, він виявив, що його галактики рухаються так швидко, що мають легко відлітати геть. Чому ж скупчення не розпадається? Цвіккі припустив, що його маса набагато більша, ніж оцінювалася за джерелами, що світяться. Так у астрофізиці з'явилася прихована маса, яку сьогодні називають темною матерією. Без неї не описати динаміку галактичних дисків і скупчень галактик, викривлення світла при проходженні повз ці скупчення і саме їх походження. За оцінками, темної матерії в 5 разів більше, ніж звичайної, що світиться. Вже з'ясовано, що це не темні планетоїди, не чорні дірки і якісь відомі елементарні частинки. Ймовірно, темна матерія складається з якихось важких частинок, що беруть участь лише у слабкій взаємодії.

Нещодавно італо-російський супутниковий експеримент PAMELA зареєстрував у космічних променях дивний надлишок енергійних позитронів. Астрофізики не знають відповідного джерела позитронів і припускають, що це, можливо, продукти якихось реакцій із частинками темної матерії. Якщо так, то під загрозою може опинитися теорія первинного нуклеосинтезу Гамова, адже вона не передбачала присутності в ранньому Всесвіті великої кількості незрозумілих важких частинок.

Загадкову темну енергію довелося терміново додавати до стандартної моделі Всесвіту на рубежі XX та XXI століть. Незадовго до цього було випробувано новий метод визначення відстаней до далеких галактик. «Стандартною свічкою» в ньому служили вибухи наднових зірок особливого типу, які в розпалі спалаху завжди мають майже однакову світність. По їхньому видимому блиску визначають відстань до галактики, де стався катаклізм. Усі чекали, що виміри покажуть невелике уповільнення розширення Всесвіту під впливом самогравітації її речовини. З величезним подивом астрономи виявили, що розширення Всесвіту навпаки прискорюється! Темна енергія була вигадана, щоб забезпечити загальне космічне відштовхування, що роздмухує Всесвіт. Фактично вона не відрізняється від лямбда-члена в рівняннях Ейнштейна і, що кумедніше, від C-поля з теорії стаціонарного Всесвіту Бонді – Голда – Хойла, у минулому головного конкурента космології Фрідмана – Гамова. Ось так штучні умоглядні ідеї мігрують між теоріями, допомагаючи їм виживати під тиском нових фактів.

Якщо початкова модель Фрідмана мала лише один параметр, який визначається зі спостережень (середня щільність речовини Всесвіту), то з появою «темних сутностей» число «підстроювальних» параметрів помітно зросло. Це не тільки пропорції темних «інгредієнтів», але також довільно передбачувані їхні фізичні властивості, наприклад, здатність до участі в різних взаємодіях. Чи не так, все це нагадує теорію Птолемея? У неї теж додавали все нові епіцикли, щоб домогтися відповідності зі спостереженнями, поки вона не впала під вагою власної переускладненої конструкції.

Всесвіт у жанрі «зроби сам»

За останні 100 років створено безліч космологічних моделей. Якщо раніше кожна з них сприймалася як унікальна фізична гіпотеза, то зараз ставлення стало більш прозовим. Щоб збудувати космологічну модель, потрібно зайнятися трьома речами: теорією гравітації, від якої залежать властивості простору, розподілом речовини та фізичною природою червоного зміщення, з якої виводиться залежність: відстань — червоне зміщення R(z). Тим самим задається космографія моделі, що дозволяє розрахувати різні ефекти: як змінюються з відстанню (а точніше, з червоним зміщенням) блиск стандартної свічки, кутовий розмір стандартного метра, тривалість стандартної секунди, поверхнева яскравість еталонної галактики. Залишається подивитися на небо та зрозуміти, яка теорія дає правильні передбачення.

Уявіть, що ввечері ви сидите в хмарочосі біля вікна, дивлячись на море вогнів великого міста, що розстилається внизу. Вдалині їх стає менше. Чому? Можливо, там бідні околиці, а то й зовсім кінчається забудова. А може, світло ліхтарів послаблюється туманом чи смогом. Або дається взнаки кривизна поверхні Землі, і далекі вогні просто йдуть за горизонт. Для кожного варіанта можна розрахувати залежність числа вогнів від відстані та знайти відповідне пояснення. Ось так і космологи вивчають далекі галактики, намагаючись вибрати найкращу модель Всесвіту.

Щоб космологічний тест запрацював, важливо знайти «стандартні» об'єкти та врахувати вплив усіх перешкод, що спотворюють їхній вигляд. Над цим космологи-спостерігачі б'ються вже восьмий десяток років. Взяти, скажімо, тест кутового розміру. Якщо наш простір евклідовий, тобто не викривлений, видимий розмір галактик зменшується пропорційно червоному зміщенню z. У моделі Фрідмана з викривленим простором кутові розміри об'єктів зменшуються повільніше, і ми бачимо галактики трохи більші, як риб в акваріумі. Є навіть така модель (з нею на ранніх етапах працював Ейнштейн), в якій галактики з видаленням спочатку зменшуються в розмірах, а потім знову зростають. Проте проблема в тому, що далекі галактики ми бачимо такими, якими вони були в минулому, а в ході еволюції їх розміри можуть змінюватися. До того ж на великій відстані туманні цятки здаються меншими — через те, що важко розглянути їхні краї.

Врахувати вплив таких ефектів дуже складно, і тому результат космологічного тесту нерідко залежить від переваг того чи іншого дослідника. У величезному масиві опублікованих робіт можна знайти тести, як підтверджують, так і спростовують різні космологічні моделі. І лише професіоналізм вченого визначає, яким із них вірити, а яким ні. Ось лише кілька прикладів.

У 2006 році міжнародна група з трьох десятків астрономів перевіряла, чи в часі розтягуються вибухи далеких наднових зірок, як того вимагає модель Фрідмана. Вони отримали повну згоду з теорією: спалахи подовжуються рівно в стільки разів, у скільки зменшується частота світла, що приходить від них - уповільнення часу в ОТО однаково позначається на всіх процесах. Цей результат міг би стати черговим останнім цвяхом у кришку труни теорії стаціонарного Всесвіту (першим років 40 тому Стівен Хокінг назвав космічний мікрохвильовий фон), але у 2009 році американський астрофізик Ерік Лернер опублікував прямо протилежні результати, отримані іншим методом. Він використав тест поверхневої яскравості галактик, придуманий Річардом Толманом ще в 1930 році, спеціально щоб зробити вибір між розширюваним і статичним Всесвітом. У моделі Фрідмана поверхнева яскравість галактик дуже швидко падає із зростанням червоного зміщення, а в евклідовому просторі зі «втомленим світлом» ослаблення йде набагато повільніше. На z = 1 (де, за Фрідманом, галактики приблизно вдвічі молодша, ніж поблизу нас) різниця виходить 8-кратною, а на z = 5, що близько до межі можливостей космічного телескопа «Хаббл», — більш ніж 200-кратною. Перевірка показала, що дані майже ідеально збігаються з моделлю втомленого світла і сильно розходяться з фрідманівською.

Ґрунт для сумнівів

У спостережній космології накопичено ще багато даних, які змушують сумніватися в коректності домінуючої космологічної моделі, яку після додавання темної матерії та енергії стали називати LCDM (Lambda – Cold Dark Matter). Потенційну проблему для LCDM представляє швидке зростання рекордних червоних зміщень об'єктів, що виявляються. Співробітник японської Національної астрономічної обсерваторії Масанорі Айі (Masanori Iye) вивчив, як росли рекордні відкриті червоні зсуви галактик, квазарів і гамма-сплесків (найпотужніших вибухів і найдальших маяків у Всесвіті, що спостерігається). До 2008 року всі вони вже подолали рубіж z = 6, причому особливо швидко росли рекордні гамма-сплески. 2009 року ними було встановлено черговий рекорд: z = 8,2. У моделі Фрідмана це відповідає віку близько 600 мільйонів років після Великого вибуху і межі вписується в існуючі теорії освіти галактик: ще трохи, і їм просто не залишиться часу на формування. Тим часом прогрес у показниках z, схоже, не збирається зупинятися — усі чекають на дані з нових космічних телескопів «Гершель» і «Планк», запущених навесні 2009 року. Якщо з'являться об'єкти з z = 15 або 20, це стане повномасштабною кризою LCDM.

На іншу проблему ще 1972 року звернув увагу Алан Сендідж, один із найбільш шанованих космологів-спостерігачів. Виявляється, закон Хаббла дуже добре дотримується в найближчих околицях Чумацького Шляху. У межах кількох мегапарсек від нас речовина розподілена вкрай неоднорідно, проте галактики наче не помічають цього. Їхні червоні зміщення точно пропорційні відстаням, крім тих, що виявилися зовсім близько до центрів великих скупчень. Хаотичні швидкості галактик начебто чимось гасяться. Проводячи аналогію з тепловим рухом молекул цей парадокс іноді називають аномальною холодністю хабловского потоку. Вичерпного пояснення цього парадоксу в LCDM немає, натомість він отримує природне пояснення у моделі «втомленого світла». Олександр Райков з Пулковської обсерваторії висунув гіпотезу, що червоне зміщення фотонів та гасіння хаотичних швидкостей галактик може бути проявом одного й того ж космологічного чинника. І та сама причина, можливо, пояснює аномалію в русі американських міжпланетних зондів «Піонер-10» та «Піонер-11». Залишаючи Сонячну систему, вони відчували невелике незрозуміле гальмування, чисельно саме таке, як потрібне для пояснення холодності хаблівського потоку.

Ряд космологів намагаються довести, що речовина у Всесвіті розподілена не однорідно, а фрактально. Це означає, що в якому б масштабі ми не розглядали Всесвіт, у ньому завжди виявиться чергування кластерів і порожнеч відповідного рівня. Першим цю тему порушив 1987 року італійський фізик Лучано Піотронейро. А кілька років тому петербурзький космолог Юрій Баришев та Пекка Теєрікорпі з Фінляндії опублікували велику монографію «Фрактальна структура Всесвіту». У низці наукових статей стверджується, що у оглядах червоних зміщень фрактальність розподілу галактик впевнено виявляється до масштабу 100 мегапарсек, а неоднорідність простежується до 500 мегапарсек і більше. А нещодавно Олександр Райков спільно з Віктором Орловим із СПбДУ виявили ознаки фрактального розподілу в каталозі гамма-сплесків на масштабах до z = 3 (тобто за фрідманівською моделлю здебільшого видимого Всесвіту). Якщо це підтвердиться, космології має бути серйозна перетряска. Фрактальність узагальнює поняття однорідності, яке з міркувань математичної простоти було за основу космології ХХ століття. Сьогодні фрактали активно досліджуються математиками, регулярно доводять нові теореми. Фрактальність великомасштабної структури Всесвіту може призвести до дуже несподіваних наслідків, і хто знає, чи не чекають нас попереду радикальні зміни картини Всесвіту та його розвитку?

Крик душі

І все-таки, як би не надихали космологічних «дисидентів» подібні приклади, на сьогодні не існує якоїсь цілісної і добре опрацьованої теорії будови та еволюції Всесвіту, відмінного від стандартного LCDM. Те, що збирально називають альтернативною космологією, складається з низки претензій, які справедливо ставляться на вигляд прихильникам загальноприйнятої концепції, а також набору перспективних ідей різного ступеня опрацьованості, які можуть стати в нагоді в майбутньому, якщо з'явиться сильна альтернативна дослідницька програма.

Багато прихильників альтернативних поглядів схильні надавати занадто велике значення окремим ідеям чи контрприкладам. Вони сподіваються, що, наочно показавши проблеми стандартної моделі, можна домогтися відмовитися від неї. Але, як стверджував філософ науки Імре Лакатос, теорію що неспроможні знищити ні експеримент, ні феномен. Теорію вбиває лише нова найкраща теорія. Тут поки що альтернативної космології запропонувати нічого.

Але звідки ж взятися новим серйозним розробкам, нарікають «альтернативники», якщо в усьому світі, у грантових комітетах, у редакціях наукових журналів та в комісіях із розподілу спостережного часу телескопів більшість становлять прихильники стандартної космології. Вони, мовляв, просто блокують виділення ресурсів на роботи, що лежать поза космологічним мейнстримом, вважаючи це марною витратою коштів. Декілька років тому напруга досягла такого розжарення, що група фахівців-космологів виступила в журналі New Scientist з вельми жорстким «Відкритим листом до наукової спільноти». У ньому оголошувалося про заснування міжнародної громадської організації Alternative Cosmology Group (www.cosmology.info), яка з того часу періодично проводить власні конференції, але поки що не змогла суттєво змінити ситуацію.

Історія науки знає чимало випадків, коли довкола ідей, які вважалися глибоко альтернативними та малоцікавими, несподівано формувалася нова потужна дослідницька програма. І, можливо, нинішня розрізнена альтернативна космологія несе в собі зародок майбутнього перевороту в картині світу.