Eduardo Lopez - Космос становится больше. Хаббл. Расширение Вселенной
Согласно космологическому принципу, который также можно было бы назвать принципом Джордано Бруно, Вселенная гомогенна и изотропна. Говоря, что Вселенная гомогенна, мы имеем в виду, что все ее точки одинаковы: везде одинаковая температура, одинаковая плотность и так далее, при этом мы говорим об очень больших масштабах. Говоря, что Вселенная изотропна, мы хотим сказать, что куда бы мы ни посмотрели, вне зависимости от направления наблюдений, все эти направления будут равноправны, включая очень большие масштабы. Таким образом, в любом уголке Вселенной все воображаемые наблюдатели будут видеть примерно одно и то же.
Существует множество моделей Вселенной, но практически все они основываются на космологическом принципе. Считается, что достаточным масштабом для использования космологического принципа являются 300 мегасветовых лет. Кроме того что этот философский принцип привлекателен сам по себе, мы вынуждены принять его, ведь если мы будем считать наше положение как наблюдателя уникальным, то как мы осмыслим Вселенную в ее полноте? И как тогда мы сможем заниматься космологией?
Этот круг в определенном положении показывает распределение галактик относительно координаты прямого восхождения и красного смещения, принятого за координату удаления. Мы можем видеть сеть пустот, ограниченных нитевидными переплетениями.
Крупномасштабная структура Вселенной Космологический принцип пригоден для использования на больших масштабах, примерно 500 мегасветовых лет. Для меньших масштабов существует крупномасштабная структура Вселенной. Сверхскопления (скопления скоплений галактик) группируются, образуя сеть нитевидных переплетений, проходящих через огромные пустоты.
Представим, что мы рассматриваем три галактики, расположенные на расстоянии 10, 20 и 30 Мик. Обозначим эти три галактики как Л, В и С. Представим, что мы определили скорость удаления Л, равную 1000 км/с. Какой будет скорость В? Так как с А видно то же, что и нам, расстояние до В равно 10 Мпк, скорость, которую с А можно измерить у В, будет равна 1000 км/с. Следовательно, мы должны отметить, что скорость В составит 1000 + 1000 = 2000 км/с. Также для А скорость С будет равна 2000 км/с, поэтому для нас она составит 3000 км/с. Мы доказали закон Хаббла.
Это рассуждение, основанное на классических теориях, является моноразмерным: галактики находятся па одной линии. Но если мы приложим определенные усилия и представим трехмерную модель, то вновь получим закон Хаббла. В приложении рассматривается доказательство закона Хаббла для читателя, знакомого с элементарной механикой жидкостей.
РИС. 1
РИС. 2
ФРАКТАЛЬНАЯ ВСЕЛЕННАЯ
В реальности существует возможность того, что Вселенная не гомогенна, и при этом мы можем заниматься космологией. Речь идет о модели фрактальной Вселенной, в которой плотность меняется в зависимости от масштаба (см. рисунки 1 и 2).
На рисунке 1 материя группируется вокруг октаэдра, как в А. Представлены четыре вершины, гак как две другие расположены над и под листом бумаги соответственно. Как распределяется материя в скоплении А? Приблизимся к А и увидим, что распределение такое же, как на рисунке 1. И так бесконечно. На рисунке 2 материя распределяется по граням октаэдра. Но внутри октаэдра могут находиться семь малых октаэдров. И так до бесконечности.
ГЛАВА 4
Гомогенность Вселенной
Физики-релятивисты исходили из космологического принципа гомогенности и изотропии Вселенной. Но был ли совместим этот принцип с наблюдениями? Хаббл проверил теорию с помощью 100-дюймового телескопа Маунт-Вилсона, однако ему нужна была еще одна, более основательная проверка. Для этого в распоряжении ученого уже имелся 200-дюймовый телескоп в Маунт- Паломаре, но сердечный приступ прервал эту работу.
Изучать деятельность Хаббла лучше, помещая ее в соответствующий исторический контекст, в котором теоретические разработки на шаг опережали наблюдения. Часто они становились стимулом для практических исследований и в любом случае нуждались в подтверждении опытом. Гомогенность Вселенной, которая принималась релятивистами как данность, требовала исследований с помощью телескопов. Хаббл в конце жизни взялся за эту задачу и значительно приблизился к результату, хотя предполагаемая гомогенность Вселенной даже сегодня не является полностью доказанной.
ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ И ВСЕЛЕННАЯ
С давних пор философы и физики задавались вопросом, является ли Вселенная конечной в пространстве и во времени. Существовали самые разные философские течения, защищавшие противоположные точки зрения по этим двум вопросам. Практически все ответы основывались на логических рассуждениях, потому что физики, которая могла бы рассматривать Вселенную в целом, не существовало.
Эта наука появилась только благодаря Эйнштейну с его общей теорией относительности, начала которой были заложены в программной статье ученого 1915 года. Рассматривать Вселенную как единое целое стало возможным только после появления этой революционной теории. Согласно представлениям молодого Эйнштейна-философа и некоторых его предшественников, идеальная Вселенная — конечная во времени, стационарная и статичная, то есть вечная, неизменная, неподвижная.
Любопытен тот факт, что во Вселенной Эйнштейна выполняются все его формулы, хотя сама идея о статичной и вечной Вселенной не следует из его уравнений — это базовая философская концепция. На самом деле философские идеи, свойственные Эйнштейну, были сформулированы задолго до него. Вселенная была вечной и статичной еще у греческого ученого Аристотеля (384-322 до н.э.), также это представление было характерно и для более поздних философов.
Однако до появления общей теории относительности идею Аристотеля трудно было использовать в качестве научной гипотезы: она не совмещалась с так называемым космологическим принципом. Согласно этому принципу Вселенная гомогенна (то есть все ее точки равноправны) и изотропна (равноправны все направления).
Космологический принцип с философской точки зрения выглядит привлекательно. Мы живем в любой точке Вселенной, все точки которой равноправны. Мы вынуждены принять этот принцип, потому что если точка наших наблюдений является исключительной, мы не можем ничего сказать о Вселенной в целом.
Но если все точки равноправны, то невозможно представить себе Вселенную, имеющую предел. В такой Вселенной должны быть центр и края, а согласно классической концепции центр и края все же различаются. Наблюдатель в центре видел бы галактики одинаково во всех направлениях, а наблюдатель на краю видел бы галактики, находящиеся в одном полушарии, и не видел бы ни одной из другого. Классически Вселенная молодого Эйнштейна не могла существовать.
Но общая теория относительности обходила это препятствие. Так как пространство могло быть искривленным, можно было представить себе конечную Вселенную без края.
Это сложно понять человеку, не стоящему на релятивистских принципах, поэтому популяризаторы науки прибегают к следующему сравнению, которое использовал и Хаббл.
Прошедшее время конечно, будущее время бесконечно.
Эдвин Хаббл в своей книге «Наблюдательный подход к космологии» (1937)
Представим себе двумерных существ, а не трехмерных, как мы. Они живут не в плоском двумерном пространстве, а на сферической поверхности, то есть в искривленном пространстве. Сферическая поверхность — это вся их Вселенная, они не понимают, что можно выйти за ее пределы или переместиться в ее центр. Для них Вселенная конечна, потому что они могут переместиться в любую ее точку за конечный отрезок времени, но они не могут достичь края Вселенной, потому что, сколько бы они ни шли, они не могут обнаружить линию, определяющую границы Вселенной. Если применить эту концепцию к трехмерному миру, мы приблизительно поймем, что представлял себе Эйнштейн до того, как применил свои уравнения ко всей Вселенной. Согласно его преставлениям, если бы мы запустили луч света прямо, то из-за кривизны пространства он, пройдя свой путь, вернулся бы к нашему затылку.
Так относительность позволяла совместить космологический принцип и пространственные пределы Вселенной. Относительность делала возможным союз философии Аристотеля с физикой.
Космологический принцип прекрасен. Но... верен ли он?
Этот принцип позволяет изобретать прекрасные теории, однако совместим ли он с наблюдениями? И здесь ключевой фигурой становился такой наблюдатель, как Хаббл. Принцип не нужно доказывать, но он должен подтверждаться наблюдениями.
