«Современное состояние космологии». (стр. 4 из 13)
Как и космологический принцип, закон Хаббла выполняется приближенно. Отклонения от закона Хаббла называются пекулярными движениями галактик. Эти отклонения связаны с отклонениями Вселенной от однородности и изотропии, обусловленные существованием групп, скоплений и сверхскоплений галактик. Например, галактики, входящие в состав одной и той же гравитационно-связанной системы (группы или скопления) не разбегаются друг от друга, их относительные скорости направлены хаотично, наподобие скоростям молекул в сосуде с газом (разумеется, расстояния внутри галактик также не зависят от космологического расширения). Поэтому закон Хаббла следует понимать как закон разбегания друг от друга скоплений и групп как целого, а также галактик, не входящих в состав этих систем (так называемых галактик поля).
Однако пекулярные скорости галактик и их скоплений практически не зависят от расстояния, тогда как хаббловская скорость Hr возрастает с расстоянием, поэтому относительный вклад пекулярных скоростей в картину движений объектов в дальней Вселенной сравнительно невелик.
1.2.3. Разбегание галактик и Большой Взрыв
Важное значение закона Хаббла заключается в том, что он дает простой способ измерения расстояний до галактик, поскольку красное смещение в их спектрах пропорционально расстоянию до галактики. Однако главное значение этого закона заключается в другом. Разбегание галактик говорит об уменьшении средней плотности вещества во Вселенной с течением времени. А поскольку галактики согласно космологическому принципу заполняют собою все пространство, это означает, что Вселенная как целое расширяется.
Представим себе, что мы засняли процесс разбегания галактик на кинопленку. Мысленно (а как еще?!) прокрутим этот космический фильм в обратном направлении. Мы увидим, что галактики постепенно приближаются друг к другу и, наконец, когда-гибудь настанет момент, когда расстояние между любыми элементами материи во Вселенной равно нулю. Этот момент носит название Большого Взрыва. С него началось существование Вселенной. Ясно, что в момент Большого Взрыва плотность материи была очень велика. Формально, даже бесконечно велика, но необходимо добавить, что существующие физические теории не могут быть продолжены за пределы плотностей, выше чем 1093 г/см3 (планковская плотность). Состояние вещества в начале расширения называется сингулярностью (от латинского слова singular — особенный).
Нетрудно оценить, сколько времени прошло с момента Большого Взрыва. Представим себе, что галактика движется с постоянной скоростью v и в настоящее время она расположена на расстоянии r от нас. Тогда ее движение продолжалось в течение времени tH=r/v. Но по закону Хаббла v=Hr, т.е. tH=H-1 (2.4)
(это время носит название хаббловского). Поскольку величина H одинакова для всех галактик, мы приходим к выводу, что все галактики начали свое движение одновременно (заметим, что, если бы скорость удаления галактик не была пропорциональной расстоянию, то понятие Большого Взрыва было бы неприменимым, поскольку разные галактики начали бы движение в разное время). Итак, если скорость движения галактик неизменна, то хаббловское время представляет собой возраст Вселенной. Например, если постоянная Хаббла H=65 км/(с·Мпк), то хаббловское время tH≈15 млрд. лет.
Впрочем, эта оценка является весьма грубой. Дело в том, что мы предположили, что скорость галактик всегда была неизменна, в действительности же она могла меняться. Например, если скорость галактики с течением времени уменьшается, то в прошлом она была больше и реальный возраст Вселенной должен быть меньше хаббловского времени.
Интересно сравнить с этой оценкой другой важный промежуток времени — возраст старейших звезд, который можно оценить с помощью теории звездной эволюции (таковыми являются звезды, населяющие так называемые шаровые звездные скопления, рис. 2.5.1).
Рисунок 5 Ближайшее к нам шаровое звездное скопление М13 в созвездии Геркулеса. При благоприятных погодных условиях его можно увидеть даже невооруженным глазом. Ссылка на источник.
Существующие оценки говорят о том, что возраст старейших скоплений составляет 14 млрд. лет с возможной ошибкой 3 млрд. лет в ту или другую сторону. Как видим, это по порядку величины совпадает с хаббловским временем, что является сильным аргументом в пользу теории Большого Взрыва, поскольку если бы эта теория была не верна, возраст старейших звезд и хаббловское время могли бы различаться на сколько угодно порядков величин. Некоторые трудности возникают в том случае, если возраст старейших звезд превосходит хаббловское время (ведь не может же Вселенная быть моложе звезд, входящих в ее состав). Разрешение этого возможного противоречия — введение так называемой космологической постоянной. Впрочем, по последним данным, возраст старейших составляет примерно 12 млрд. лет, что, как видим, не противоречит предполагаемому возрасту Вселенной.
Возникает вопрос, что было раньше? К сожалению, наука пока не в состоянии дать на него ответ, поскольку, как уже было сказано, современной теории недостаточно для того, чтобы описать cвойства материи при плотностях выше планковской (1093 г/см3). Впрочем, ученые пытаются найти хотя бы направление поисков ответа на этот, без сомнения, центральный вопрос современной науки. Возможно, что само понятие "время до Большого Взрыва" лишено реального смысла; до Большого Взрыва просто ничего не было. Можно провести аналогию с вопросом: "Что находится севернее северного полюса?" Ясно, что ничего. Если это так, то Большой Взрыв — это момент происхождения не только Вселенной, но и самого пространства-времени.
Обратим внимание на один важный вывод, следующий из формулы (2.4), если ее прочитать "справа налево": величина постоянной Хаббла обратна времени, прошедшему с начала расширения. Это означает, что H непрерывно уменьшается в ходе расширения Вселенной. Об этой величине как о постоянной говорят в том смысле, что она не зависит от расстояния.
Рисунок 6
2. Второе начало термодинамики в релятивистской модели вселенной
На первый план теперь выступили проблемы механики Вселенной и её «возраста» (длительности расширения). Третий этап начинается моделями «горячей» Вселенной (Г. Гамов, 2-я половина 40-х гг.). Основное внимание теперь переносится на физику Вселенной - состояние вещества и физические процессы, идущие на разных стадиях расширения Вселенной, включая наиболее ранние стадии, когда состояние было очень необычным. Наряду с законом тяготения в космологии приобретают большее значение законы термодинамики, данные ядерной физики и физики элементарных частиц. Возникает релятивистская астрофизика, которая заполняет существовавшую брешь между Космологией и астрофизикой.
Представим себе, что в момент, недалеко отстоящий от Большого Взрыва, первый наблюдатель (назовём его Пращуром) производит измерение характеристик окружающего мира. Он наблюдает вокруг себя некий сверхмассивный сингулярный объект, обладающий сверхсложной внутренней структурой, лишённый всех современных физических характеристик, кроме масс-энергии. Наблюдения он ведёт не в диапазоне электромагнитных или гравитационных волн, а при помощи некоторого квантового взаимодействия, не имеющего сегодня никаких однозначных аналогов. Это не случайно, так как отделения энергии от вещества ещё не произошло. Тем не менее, нет сомнений, что какие-либо отдалённые аналоги современного процесса наблюдения существовали и тогда. Представим себе, что заметки Пращура, чудесным образом, уцелели в процессе Большого Взрыва.
Современный наблюдатель (назовём его Современник), читая наблюдения Пращура, попытается в картине современной вселенной отождествить остаточные явления от объектов, описанных в заметках. Ни одного объекта отождествить не удастся, однако, пространственная картина покажет ему, что точка, откуда велись наблюдения Пращура, равномерно находилась везде. Этот эффект известен. Именно из-за него не обнаружим центр, из которого расширяется вселенная. Он находится повсюду. К несчастью, на этом мысленные эксперименты, обычно, обрываются. Продолжим их.
Проведём усовершенствование нашего Пращура, снабдив его вечной жизнью, высокой устойчивостью к внешним обстоятельствам и универсальными приборами, способными подстраиваться под механизмы отображения, удобные в каждой новой обстановке. Заставим его неутомимо наблюдать и трудиться над летописью все эти миллиарды лет, вплоть до современного момента. Современник продолжает читать результаты его наблюдений, по-прежнему забывая о квантовых, релятивистских и космологических эффектах.
Теперь становится ясен смысл нашей притчи.
Если Современник настроен в духе "пустотников" Шкловского, он придёт к выводу, что Пращур несколько миллиардов лет назад, путём катастрофического коллапса сконденсировался из межзвёздной среды на границе горизонта реальности. Наблюдения Пращура будут признаны ошибочными вплоть до недавнего момента.
Если Современник принадлежит к числу "звёздников" Амбарцумяна, он заявит, что наблюдения Пращура были полностью достоверны, но не сможет их объяснить.
В пользу концепции ошибочности наблюдений Пращура будут говорить совершенно очевидные формулы, успешно применяемые в практических областях науки. Эта позиция будет признана солидной, благодаря длительной научной традиции, восходящей к Джинсу и Лапласу.
За достоверность наблюдений будет говорить лишь здравый смысл, свойственный (как известно всем здравомыслящим людям) примитивному этапу познания. Поэтому она будет объявлена спорной и останется в виде упоминаний о принципиальной возможности сверхмассивных сверхплотных состояний вещества в последних строчках монографий.