Когда физики начинали строить модели вселенных, они чрезвычайно упрощали реальную картину. Они представляли мир совершенно однородно заполненным пылинками, или излучением, или каким-то идеальным веществом. Они считали, что при взгляде на мир из любой его точки все направления равноправны, то есть мир изотропен .
Есть важное различие между изотропией и однородностью . Изотропия означает, что пространство выглядит одинаково независимо от направления луча обзора наблюдателя, расположенного в некоторой точке. Однородность означает, что Вселенная одинакова в любой области пространства. Пространство может быть изотропным вокруг точки, не будучи однородным (таков, например, конус, который является изотропным вокруг его вершины, но, конечно, не однородным). Но если пространство изотропно всюду , оно однородно.
Расстояния между галактиками в расширяющейся Вселенной нарастают со временем. Можно ввести некоторую сопутствующую систему отсчета, в которой координаты галактик не меняются со временем, то есть относительно этой системы отсчета они “неподвижны”. Они как бы нанесены на карту, в которой изменяется только масштаб, а координаты остаются неизменными. Реальные расстояния раздуваются или сжимаются пропорционально переменному масштабу. Космологи говорят, что реальные расстояния пропорциональны так называемому масштабному фактору, часто его обозначают буквой a . Этот фактор и меняется со временем. Сегодня мы считаем, что в нашей Вселенной он растет.
Строго говоря, по современным данным лучше считать “неподвижными” точками в сопутствующих координатах не галактики, а центры масс скоплений галактик, так как сами галактики могут двигаться относительно друг друга внутри скоплений с довольно большими скоростями — порядка 1000 километров в секунду. Такие скорости аналогичны тепловым скоростям молекул в нагретом газе.
Если вселенная однородна и изотропна, то все длины (в том числе и длины световых волн) изменяются пропорционально масштабному фактору a, поэтому и наблюдается красное смещение фотонов.
Часто говорят, что само пространство растягивается при разбегании галактик, но это неверно. Пустое пространство никуда не растягивается. Близкие планеты, звезды, галактики притягиваются и могут падать друг на друга, как на нас падает Туманность Андромеды (галактика М31), и примерно через 4 миллиарда лет она сольется с Млечным Путем, но к большой катастрофе это не должно привести.
5. Вселенная Фридмана
В самых простых моделях плотность материи во Вселенной приближенно полагают однородной и равной средней плотности в некотором большом объеме — внутри сферы с диаметром больше сотни миллионов световых лет. Это предположение об однородности — всюду по всему пространству — и изотропии в каждом направлении называется космологическим принципом . Насколько это справедливо?
Главный аргумент — это изотропия микроволнового излучения с температурой около трех градусов Кельвина (около –270 градусов по Цельсию), которое мы наблюдаем как реликт эпохи молодой горячей Вселенной. Хотя микроволновый реликтовый фон не совершенно изотропен, относительные отклонения от среднего значения составляют лишь одну стотысячную или меньше. Столь малые возмущения температуры микроволнового излучения говорят, что и светящееся вещество было очень слабо возмущено по плотности спустя небольшое время после Большого взрыва. Малые возмущения плотности должны нарастать со временем под действием тяготения, но в расширяющейся Вселенной рост малых возмущений (по общепризнанной теории Е. М. Лифшица) происходит медленно — разлет вещества сдерживается гравитацией, а сжатие под влиянием гравитации замедляется заложенным при разлете импульсом. Мы знаем, что масштабный фактор a с момента рождения реликтовых фотонов возрос в тысячу раз. Оказывается, что ровно во столько же раз должны возрасти и возмущения плотности. То есть сейчас все возмущения плотности от одной стотысячной должны были вырасти лишь до одного процента. А если это так, то ни галактики, ни звезды, ни планеты, ни люди появиться не могли.
Что-то не учтено в теории? Сейчас мы понимаем, что, помимо обычных атомов, в мире должны присутствовать частицы и сгустки темной материи. Возмущения в плотности темной материи были больше, а ее масса примерно в пять раз больше, чем масса обычного вещества. Состоящее из нормальных атомов вещество притягивается к сгусткам невидимой темной материи и падает в “потенциальные ямы”, созданные ее гравитацией. В этих ямах и рождаются наши видимые галактики и звезды.
Читать дальше
