Фред Адамс - Пять возрастов Вселенной

Расширение и эволюцию Вселенной описывает общая теория относительности Эйнштейна, вводящая в фундаментальное описание пространства-времени гравитацию. Когда для описания Вселенной в целом используется общая теория относительности, расширение космоса становится естественным ее следствием. Когда Эйнштейн осознал, что его теория предполагает расширяющуюся Вселенную, сначала он решил, что это предсказание неверно. Астрономы еще не наблюдали хаббловское расширение, и почти все тогда придерживались допотопных представлений о статической и неизменяющейся Вселенной. Эйнштейн зашел настолько далеко, что без надобности усложнил свою теорию, допустив статическую (нерасширяющуюся) Вселенную. Однако после открытия расширения космологи быстро поняли, что оригинальные, неизмененные уравнения Эйнштейна служат наилучшим описанием нашей непрерывно растущей Вселенной.

Вселенная подчиняется базовой доктрине, называемой космологическим принципом . Это основной постулат, который систематизирует и упрощает возможное поведение космоса. Этот принцип утверждает, что Вселенная в целом одновременно однородна и изотропна. Однородной называется Вселенная, одинаковая во всех точках пространства; другими словами, Вселенная не имеет однозначно предпочтительных мест (см. правую часть рис. 3). Аналогично, изотропной называется Вселенная, которая выглядит одинаковой во всех направлениях; другими словами, Вселенная не выглядит другой, в каком бы направлении вы ни посмотрели из нашей Галактики (см. левую часть рис. 3). Космологический принцип — это естественное обобщение точки зрения Коперника. Коперник показал, что Земля, а следовательно и человечество, не имеет особого места в нашей Солнечной системе. В силу того что Вселенная однородна и изотропна, наша Галактика не занимает особого положения. В частности, мы живем совсем не в центре Вселенной.

Рис. 3. Поскольку все четкие точки на этом объекте исходят из центральной точки, эта система (слева) изотропна , но не однородна . Центральная точка занимает особое место в системе. Однако в скоплении четких точек невозможно выделить предпочтительного направления или расположения. В силу того что ни один из нарисованных листочков не имеет особого местоположения, компоновка (справа) однородна . Однако у данного узора есть два предпочтительных направления, по которым стремятся расположиться листья и которые отражают основную геометрию данной компоновки. В присутствии этих предпочтительных направлений данная модель не может считаться изотропной

Наша расширяющаяся Вселенная не бесконечно стара; напротив, ее возраст определен. Если в качестве отправной точки взять расширение Вселенной, видимой сегодня, и затем «обратить ход часов» для экстраполяции этого движения в прошлое, все вещество Вселенной достигает бесконечной плотности в определенный момент прошлого. Эта сингулярность и является Большим взрывом, определяющим начало времени. Отрезок времени, начинающийся в этой точке и заканчивающийся в настоящую эпоху, является современным возрастом Вселенной — порядка десяти миллиардов лет.

Расширяющаяся Вселенная имеет, по крайней мере, три возможные долгосрочные перспективы. Во-первых, если расширение, не ослабевая, продолжается вечно, то говорят, что Вселенная открыта . В противном случае, если Вселенной суждено, в конце концов, прекратить расширение и пережить повторное сжатие, то говорят, что она замкнута. Плоская Вселенная находится на границе между открытой и замкнутой. В плоской Вселенной расширение продолжается вечно, но его скорость постоянно уменьшается. Когда возраст Вселенной становится бесконечным, расширение постепенно замедляется, пока, наконец, не останавливается полностью.

Долгосрочная судьба Вселенной в большой степени зависит от того, является она открытой, замкнутой или плоской. Это, в свою очередь, определяется плотностью энергии Вселенной. Наилучшие из имеющихся астрономических наблюдений свидетельствуют о том, что плотность энергии нашей Вселенной недостаточна, чтобы она была замкнутой, а потому космос будет расширяться вечно. Если мы на самом деле обитаем в открытой или плоской Вселенной, то она проживет достаточно долго, чтобы развернулся поразительный ряд эффектных событий. В замкнутой Вселенной число возможностей, напротив, значительно ограничено.

На данном этапе три различных типа вселенных можно представить с помощью простой аналогии. Вообразите, что мы запускаем ракету с поверхности некоторой планеты. Ракета взмывает вверх с высокой начальной скоростью, после чего двигатель отключается. Что происходит? Ответ зависит от того, насколько быстро движется ракета, или, если посмотреть на эту проблему с другой стороны, от суммарной массы этой планеты и ракеты. Если ракета движется слишком медленно или масса планеты слишком велика, то ракета не сможет преодолеть гравитационное притяжение планеты и упадет на ее поверхность. Ракету и планету можно рассмотреть как закрытую физическую систему, в которой ракета и планета возвращаются друг к другу или переживают повторное сжатие. Такое же стечение обстоятельств возникает, когда мы бросаем бейсбольный мяч, который вновь падает на Землю. С другой стороны, если наша ракета движется с достаточной скоростью, она может преодолеть гравитационное притяжение планеты и продолжать двигаться вечно. Эта ситуация соответствует открытой физической системе типа открытой Вселенной, которая расширяется беспредельно.

Как у Вселенной, так и у нашей простой системы, состоящей из планеты и ракеты, имеется важный промежуточный случай, который мы называем плоским . Ракету можно запустить с такой скоростью, которая придаст ей ровно столько энергии, сколько требуется, чтобы оторваться от планеты. По мере дальнейшего движения ракета продолжает замедляться, пока, в конце концов, не остановится совсем, достигнув некоторой точки в пространстве, бесконечно удаленной от рассматриваемой планеты. Безусловно, чтобы достигнуть этой точки, ракете понадобится бесконечное количество времени. Плоская Вселенная ведет себе качественно подобным образом. Все галактики разбегаются друг от друга, но с течением времени скорость их разбегания уменьшается. По мере того как Вселенная становится бесконечно старой, галактики приближаются к статическому состоянию — полной остановке.

Несмотря на то, что данная модель удобна для сравнения открытой, плоской и замкнутой вселенных, одно важное отличие все же остается. Ракета и планета движутся в космическом пространстве так, как мы обычно представляем себе движение. Однако во Вселенной расширяется само пространство, галактики же, на самом деле, покоятся, если принимать во внимание местный масштаб. Ракета и планета образуют классическую систему, тогда как расширяющаяся Вселенная служит примером релятивистского пространства-времени.