§ 40.3. Понятие о космологии.

Космология изучает строение Вселенной в целом и ее развитие во времени. Кажущееся естественным и очевидным представление о неизменной в целом (стационарной) Вселенной приводит к ряду парадоксальных выводов, не согласующихся с наблюдениями.

Во-первых, оказывается, что сила взаимодействия какого-либо тела со всеми массами стационарной однородной Вселенной неопределенна. Во-вторых, если считать Вселенную стационарной, то остается необъясненным такой фундаментальный наблюдаемый факт, как красное смещение спектров галактик. Как уже говорилось выше, скорость удаления галактик связана с расстоянием линейной зависимостью:

получившей название закона Хаббла, по имени американского ученого, который в 1929 г. доказал наличие такой зависимости. Коэффициент Н, который в настоящее время принимается равным называют постоянной Хаббла. Она показывает, что скорость удаления галактик возрастает на при увеличении расстояния на

Нестационарность Вселенной не вызывает в настоящее время сомнений. Причину ее можно понять уже в рамках ньютоновской механики, что лишний раз показывает преемственность между ней и теорией относительности, которая вскрывает более глубокие закономерности природы, но не отменяет механики Ньютона.

Если представить, что все известные галактики занимают объем огромного шара и взаимодействуют между собой согласно закону всемирного тяготения, то станет очевидным, что такое скопление притягивающихся друг к другу объектов не может оставаться в стационарном состоянии. Если в некоторый начальный момент эти объекты покоились, то под влиянием взаимного притяжения они затем будут сближаться и радиус этого шара будет уменьшаться. Если же они имеют начальные скорости, направленные от центра шара, то их последующее движение будет происходить в зависимости от величины начальной скорости. При достаточно большой ее величине радиус шара увеличивается беспредельно. При малой начальной скорости увеличение шара сменяется затем его уменьшением. Сама же начальная скорость, которая определяет характер

расширения, зависит в конечном счете от плотности этого шара. Теория относительности лишь несколько уточняет вывод о нестационарности Вселенной.

Наблюдения, так же как и теория, говорят о том, что во Вселенной происходит процесс эволюции. Так, изучение спектров квазаров показывает, что они удаляются от нашей Галактики с огромными скоростями, которые достигают 100—200 тыс. км/с, т. е. сравнима со скоростью света. Следовательно, они встречаются среди наиболее далеких во Вселенной объектов. Таким образом, мы «заглядываем» в прошлое Вселенной и видим, что несколько миллиардов лет назад вещество во Вселенной было в ином состоянии.

Величину, обратную постоянной Хаббла лет), часто называют возрастом Вселенной. При этом имеют в виду, что если разбегание галактик всегда происходило по такому закону, то 1010 лет тому назад все они должны были быть сосредоточены в очень малом объеме. Следовательно, вещество должно было характеризоваться высокими значениями плотности и температуры. Эта гипотеза «горячей Вселенной», выдвинутая около 25 лет тому назад, подтверждается наблюдениями.

Успехи радиоастрономии позволили обнаружить в 1965 г. излучение, имеющее максимум в миллиметровом диапазоне. Оно, видимо, не связано с какими-либо телами, существующими в настоящее время во Вселенной, и отражает распределение ее вещества в прошлом, на начальной стадии эволюции. Это излучение, названное реликтовым, позволяет судить о состоянии Вселенной в ту эпоху, когда ее размеры были во много раз меньше современных.

Таким образом, астрофизика ставит вопросы о поведении вещества в условиях температур порядка миллиардов градусов и плотностей, сравнимых с плотностью атомных ядер. Удаляясь еще дальше в прошлое, космология подходит к проблеме состояния вещества в начале эволюции и к проблеме «начала времени».

Понятия пространства и времени неотделимы от понятия материи, а в таких особых условиях их связь должна проявляться в значительно большей степени, чем в привычных условиях. Согласно общей теории относительности геометрия пространства — времени зависит от распределения материи во Вселенной. Эта зависимость, в частности, находит выражение в том, что характер расширения Вселенной определяется средней плотностью вещества.

Следствия общей теории относительности (теории гравитации) проверяются в астрономии и космологии, где имеют дело с расстояниями порядка миллиардов световых лет Одно из важнейших следствий этой теории отклонение луча света вблизи массивных тел наблюдается и при меньших расстояниях. Это явление обнаружено для света звезд, на фоне которых наблюдается Солнце во время полных солнечных затмений.

Космологическая проблема — вопрос о строении и эволюции Вселенной как целого — является одной из фундаментальных проблем современной науки.