Александр Петров - Гравитация. От хрустальных сфер до кротовых нор
Расширяющаяся Вселенная
Тот прозаический факт, что Вселенная существует, уже сам по себе разбивает всякие доводы и циников, и закоренелых прагматиков.
Стивен Кинг «Темная Башня 1: Стрелок»Несмотря на эти парадоксы, парадигма стационарной бесконечной Вселенной не вызывала особых возражений даже в начале XX века. Мало того, большинство ученых, включая и самого Эйнштейна, были уверены, что мир устроен именно так. Однако попытки Эйнштейна найти стационарное космологическое решение своих уравнений не привели к успеху. Поэтому в 1917 году, пытаясь «спасти» ситуацию, он ввел в уравнения ОТО так называемую космологическую постоянную (см. Дополнение 4). Решения модернизированных уравнений оказались неустойчивыми. Любая незначительная флуктуация (а они всегда есть в природе) должна была вывести Вселенную из состояния покоя. Ситуация требовала разрешения.
Новой теорией гравитации заинтересовался наш соотечественник, замечательный математик Александр Фридман (1888–1925), рис 9.1. Он сделал два основополагающих предположения – об однородности и изотропии Вселенной, которые позже были объединены в космологический принцип. Однородность понимается как одинаковость всех точек Вселенной, например, достаточно малые ячейки пространства Вселенной имеют одинаковое количество материи, давление, кривизну. Изотропия означает, что во Вселенной нет выделенных направлений. (Более подробно понятия однородности и изотропии обсуждены в Дополнении 7). Итак, предполагая, что материя во Вселенной распределена однородно и изотропно, Фридман в 1922–1924 годах нашел космологические решения уравнений Эйнштейна. Они определяют метрические свойства Вселенной, которая оказывается нестационарной. Расстояния между космическими объектами меняются, Вселенная либо расширяется, либо сжимается.
Рис. 9.1. Александр Фридман
Такие же решения независимо были найдены Леметром и опубликованы в 1927 году. Эйнштейн выразил свое скептическое отношение к результатам Леметра. При встрече с ним на одном из конгрессов Эйнштейн указал ему на более ранние результаты Фридмана, которые Леметр фактически повторил, то есть не был первым. Известна и фраза, которую Эйнштейн тогда сказал Леметру: «ваши вычисления правильны, но ваше понимание физики отвратительно».
Как показали дальнейшие события, Эйнштейн оказался неправ – решения, найденные Фридманом и позднее Леметром, как раз соответствуют реальной физике расширяющейся Вселенной. К сожалению, Фридман умер рано и не успел развить идеи, связанные с его космологическими решениями. Кроме того, он был математиком и не был хорошо знаком, в отличие от Леметра, с данными астрономии. В дальнейшем именно Леметр предложил теоретическое обоснование новых решений как физик, что сделало теорию знаменитой.
Но решающим аргументом стали представленные в 1929 году итоги наблюдений блистательного американского ученого Эдвина Хаббла (1889–1953), рис 9.2. Наблюдая удаленные галактики, он установил следующую закономерность: смещение линий в спектрах удаленных галактик пропорционально расстоянию до них:
где λ – наблюдаемая длина волны линии, λ0 – длина этой же волны в лаборатории, r – расстояние до галактики, c – скорость света, H0 – постоянная Хаббла, медленно меняющаяся величина, постоянная во всем пространстве на текущую эпоху, z – космологическое красное смещение. Хаббл использовал расстояния до галактик, рассчитанные по видимому блеску цефеид в этих галактиках, собственная светимость которых хорошо известна. В настоящее время способов определения расстояний больше, и закон Хаббла подтверждается для расстояний в миллиарды парсеков. Напомним, что 1 пк (парсек) равен расстоянию до объекта в космосе, параллакс которого с радиуса орбиты Земли равен одной угловой секунде (1 пк = 3,3 св. года).
Рис. 9.2. Эдвин Хаббл
Объясняется космологическое красное смещение эффектом Доплера. Вспомним, что звук приближающегося поезда выше (частота больше), чем звук удаляющегося.
Аналогично звуковым волнам, такой же эффект имеет место и для электромагнитных волн, в частности, для света: от удаляющегося источника приемник зарегистрирует свет меньшей частоты (большей длины волны), чем от лабораторного источника, и большей частоты – от приближающегося. Для скоростей значительно меньше скорости света верна формула Доплера: v = cz. Если сравним ее с законом Хаббла, то придем к выводу, что галактики разбегаются и их скорость увеличивается прямо пропорционально расстоянию. Закон Хаббла перепишется в виде:
v = H0r,
чем дальше от нас галактика, тем больше ее скорость.
Величина z также очень удобна для оценки возраста объекта, от которого пришел свет. Действительно, z прямо связано с расстоянием, а расстояния – значительные и для их преодоления необходимо значительное время. Поэтому сигнал приносит информацию об объекте на более ранних стадиях расширения. Чем больше z, тем более ранняя эпоха исследуется. Отметим, что для больших z простую формулу Доплера необходимо корректировать с учетом ОТО.
Это открытие заставило раз и навсегда отказаться от понятия статичной Вселенной. Кроме того, предсказанное в решениях Фридмана и Леметра, оно стало еще одним подтверждением правильности новой теории гравитации.
После открытия Хаббла ученые обратили внимание на распределение скоростей, и обнаружили, что оно изотропно, как и полагалось в решениях Фридмана. Это означает, что наблюдатели, помещенные в различные точки пространства, не обнаружат выделенных направлений. Для каждого из них картина распределения скоростей разбегающихся галактик будет выглядеть как для нас: сферически симметричной. Таким образом, предположения Фридмана были сформулированы в виде космологического принципа, согласно которому в больших пространственных масштабах во Вселенной нет выделенных областей и направлений. Большинство специалистов согласно с тем, что любая модель Вселенной должна ему удовлетворять. По современным наблюдательным данным материя во Вселенной распределена однородно и изотропно на масштабах больших 50–100 Мпк.
Существует три типа решений Фридмана. Каждому из них соответствует свой тип геометрии пространства однородной и изотропной Вселенной. Для первого типа – 3-мерное пространство, в котором мы себя ощущаем в каждый момент времени, оказывается бесконечным, безграничным и с отрицательным знаком кривизны. Такие пространства называют гиперболическими, а в решениях Фридмана значение радиуса кривизны увеличивается со временем. Для второго типа решений 3-мерное пространство также оказывается бесконечным и безграничным, но не искривленным; его называют плоским. Первый и второй типы решений называют открытыми. Для третьего типа решений 3-мерное пространство является безграничным, но не бесконечным – его объем конечен. Это пространство с положительным знаком кривизны; его называют замкнутым. В качестве наглядного примера можно привести 2-мерное пространство обычной сферы. Замкнутое пространство можно классифицировать как 3-мерную сферу, экзотические свойства которой мы обсудим ниже. Примеры 2-мерных поверхностей разного типа приведены на рис. 8.6.
Тип пространства определяется плотностью энергии (или, эквивалентно, массы материи) во Вселенной. Плотность, при которой пространство плоское, называют критической. Если плотность материи меньше критической, то пространство Вселенной будет первого типа, если больше – третьего. Более детальное обсуждение типа космологических решений в зависимости от критической плотности приведено в Дополнении 8.
Поскольку мы уже немного владеем понятием метрики, то здесь будет полезным символически представить метрику решений Фридмана:
ds2 = c2 dt2 – a2(t)dl2.
Здесь единственной информативной переменной оказывается величина a(t), которая называется масштабным фактором и показывает, как меняется расстояние между фиксированными частицами в расширяющейся Вселенной. Именно a(t) определяет постоянную Хаббла:
в законе v = Hr. Напомним, что величина H(t) медленно меняется со временем и постоянна в каждый момент во всем пространстве.
Итак, для метрики Фридмана уравнения ОТО превращаются просто в уравнения для a(t), плотности ρ и давления p материи. Связь между плотностью и давлением задается уравнением состояния. При решении этих уравнений определяется поведение a(t) в зависимости от времени. Таким образом, увеличение a(t) и означает расширение.
