§ 10. Теория стационарной Вселенной

Один из способов решения проблемы сингулярности заключается в том, чтобы избавиться от сингулярности вовсе. Доказательство существования сингулярности основано на предположении об уравнении состояния вещества, заполняющего Вселенную. Вводя гипотетическое поле с отрицательной плотностью энергии, можно избежать космологической сингулярности. Теория такого рода — теория стационарной Вселенной (СВ) или, на языке авторов, «Steady State Theory» - была развита Хойлом (1948) и Бонди и Голдом (1948). В течение двух десятилетий значительная часть теоретических и наблюдательных работ была посвящена проверке, развитию и критике теории стационарной Вселенной.

Уже по этой причине необходимо изложить ее содержание и современные взгляды на нее.

В теории СВ принимается метрика

Из формулы видно, что пространство (сечение является плоским, Вселенная однородна и изотропна — можно смещаться по координатам х, у, z и поворачиваться в этом пространстве. Эти свойства СВ-модели являются общими с моделью Фридмана.

Новым свойством, специфичным для СВ, является группа сдвига по времени. Все свойства метрики одинаковы в любой момент Заменяя на необходимо лишь переопределить координаты:

Метрика СВ описывает расширение Вселённой, красное смещение спектральных линий; значение постоянной Хаббла равно коэффициенту в показателе при этом оказывается постоянной величиной, не меняющейся в ходе эволюции. Однородность Вселенной, т. е. группу пространственных сдвигов, Бонди и Голд (1948) называют «космологическим принципом». Обобщая этот термин, Бонди называет «совершенным космологическим принципом» полную группу сдвигов по пространству и времени, характерную для метрики СВ.

С помощью уравнений ОТО найдем тот тензор энергии-импульса, ту правую часть уравнений, которая необходима для того, чтобы имело место (23.10.1) с В соответствии с общими формулами раздела I получим

откуда следует, в частности, В величины ей здесь входит космологическая постоянная, если она отлична от нуля: Метрика СВ является как раз точным решением для пустого мира с положительной космологической постоянной (см. об этом гл. 4).

Однако авторы СВ предлагают свою теорию для описания реальной, наблюдаемой, «нашей» Вселенной, содержащей материю, звезды, барионы, реликтовое излучение.

Так как для обычной материи, плотность которой не менее то в составе тензора энергии-импульса должно быть поле («С-поле»), у которого . Такое поле нарушает одно из предположений, лежащих в основе теорем о необходимости сингулярности [см. (22.1.7)]; формально именно поэтому становится возможным решение без сингулярности в прошлом и будущем.

Важнейший момент заключается в том, что авторы СВ требуют истинной, физической, а не только метрической и геометрической стационарности. Они не ограничиваются заданием метрики

По теории СВ необходимо, чтобы вечно, от сохранялась одна и та же средняя плотность вещества рвещ и (добавлено после 1965 г.) реликтового излучения ррел. Если рождения барионовне происходит, то для плотности рвещ имеет место уравнение

что несовместимо с идеологией СВ. Авторы делают добавочное предположение о рождении барионов из С-поля:

Подобрав подходящее можно тождественно удовлетворить обоим условиям стационарности, при учете связи следующей из уравнений Однако при этом пришлось ввести неизвестный ранее процесс рождения вещества из С-поля. Теория СВ по этой причине называют также теорией непрерывного творения материи. Конкретный вид члена А и его зависимость от рвещ или других величин остаются неопределенными: можно положить и считать не зависящим от координат. В этом случае рождение происходит равномерно по всему пространству; в работе Хойла и Нарликара (1963) авторы полагают рождение происходит преимущественно там, где уже велика плотность вещества. Независимо от этого ответственным за рождение является С-поле, член описывающий рождение должен входить с плюсом в уравнение для вещества и с минусом в уравнение для энергии С-поля, иначе нельзя совместить решение с уравнениями ОТО.

Сначала теория СВ попала в руки (точнее, была создана руками) астрономов и проверке подвергались космологические выводы. Совершенный космологический принцип является весьма жестким утверждением: средняя плотность галактик, средняя их светимость, число и свойства радиоисточников и т. п. должны быть неизменными, в далеком прошлом они должны быть такими же, как в настоящее время.

Предсказывается определенная кривая для числа радиоисточников. Оказалось, что предсказанная зависимость не согласуется с наблюдениями (см. § 8 гл. 3). В теорию СВ нельзя ввести функцию эволюции источников для согласования с наблюдениями — отдельные источники эволюционируют, но Вселенная в целом, в среднем, стационарна! Теория СВ предсказывает параметр ускорения , что также не согласуется с наблюдениями (см. § 9 гл. 3).

Точность наблюдений невелика, статистическая обработка сложна, поэтому споры вокруг наблюдений продолжаются. Однако, как нам кажется, главные и непреодолимые трудности теории СВ выявляются при попытке конкретизировать на уровне элементарных частиц и теории поля те гипотезы, которые приходится вводить.

Дифференциальное уравнение для может относиться к средней плотности, но рождение каждого отдельного бариона представляет собой микроскопический взрыв. Если рождаются пары барион—антибарион, то должна происходить в определенной доле случаев аннигиляция раньше, чем какой-либо механизм пространственно разделит барионы от антибарионов.

Аннигиляционное излучение специально искали и не нашли на уровне в 1000 раз ниже того, который соответствует полной аннигиляции.

Рождение барионов (без антибарионов) означало бы нарушение сохранения барионного заряда. Следовательно, по общим принципам, возможен и обратный процесс превращения барионов в С-поле. Такой процесс наблюдался бы как радиоактивный распад ядер, стабильных в обычном смысле. Как уже упоминалось, такой процесс не обнаружен, несмотря на специальные поиски.

Реликтовое излучение и его равновесный планковский спектр естественно объясняются в эволюционной космологии. В стадии радиационно-доминированной плотной плазмы происходит установление равновесия. В теории СВ, прозрачной для радиоволн вплоть

до очень большого красного смещения порядка спектр реликтового излучения не поддается объяснению.

По совокупности наблюдательных данных и теоретических соображений теория стационарной Вселенной может считаться опровергнутой.

Надо отдать должное интеллектуальной смелости ее авторов; дискуссии вокруг теории СВ были полезны и способствовали общему подъему космологии.