По следам бесконечности

Приверженность А. Эйнштейна к модели стационарной Вселенной, мешавшая ему разглядеть столь важное свойство выведенных им же самим уравнений, имела свои объективные причины. Идея стационарности была в то время чем-то само собой разумеющимся. С одной стороны, она опиралась на представления о так называемых «неподвижных» звездах[12], а с другой — на все еще существовавшую веру человечества в стабильность мирового порядка.

Таким образом, заслуга Фридмана состояла не только в том, что ему удалось преодолеть предвзятую точку зрения создателя теории относительности, но прежде всего в том, что он сумел отказаться от традиционного взгляда на мир.

Независимо от теоретических исследований Фридмана, американский астроном Слайфер обнаружил в спектрах галактик «красное смещение». Подобное явление, известное в физике под названием эффекта Доплера, наблюдается в тех случаях, когда расстояние между источником света и приемником увеличивается.

Вообще эффект Доплера сопутствует любому волновому процессу, в частности, распространению звуковых колебаний. Вероятно, каждый не раз отмечал, что звук свистка приближающегося электровоза резко понижается, как только, промчавшись мимо, он начинает быстро удаляться.

В оптических спектрах эффект Доплера вызывает смещение спектральных линий. При сближении с источником воспринимаемая частота колебаний возрастает и линии смещаются к фиолетовому концу спектра. Когда же расстояние до источника растет, частота уменьшается и происходит сдвиг линий в сторону более низких частот — к красному концу спектра. Это и есть «красное смещение». Его величина пропорциональна скорости удаления.

Через несколько лет после открытия Слайфера другой американский астроном Хаблл выяснил, что чем дальше расположена от нас галактика, тем сильнее сдвиг линий в ее спектре. Мало того, обнаружилась почти пропорциональная зависимость между расстояниями и величиной красного смещения.

С точки зрения принципа Доплера это означает, что все галактики удаляются и чем дальше расположена та или иная галактика, тем быстрее она движется.

На основании картины движения галактик, полученной в результате объяснения красного смещения с помощью эффекта Доплера, физики и астрофизики разработали теорию «расширяющейся Вселенной», согласно которой несколько миллиардов лет назад материя Вселенной была сосредоточена в сравнительно небольшом объеме, где она находилась в состоянии сверхчудовищной, может быть, бесконечно большой плотности. Затем по неизвестной причине началось расширение этого объема, своеобразный космический взрыв, в результате которого в конечном итоге образовались космические объекты — звезды, галактики, планетные системы. Расширение продолжается и по сей день. В каждый данный момент Вселенная обладает конечным объемом, радиус которого все время возрастает.

Что же касается кривизны пространства, то в случае расширяющейся Вселенной она оказывается непосредственно связанной со значением средней плотности материи и так называемой постоянной Хаббла, показывающей зависимость скорости разбегания галактик от расстояния.

Кроме того, средняя плотность материи в однородной Вселенной Фридмана определяет не только ее геометрию, но и ее будущее.

Подсчеты показывают: при средней плотности вещества, превосходящей 610^-29 граммов на кубический сантиметр, что соответствует 10 атомам водорода в каждом кубическом метре, пространство замкнуто и конечно. А расширение замкнутого сферического неэвклидового трехмерного мира должно быть рано или поздно остановлено тяготением и перейти в сжатие.

Если средняя плотность в точности равна критической — этот случай был подробно рассмотрен в 1932 году Эйнштейном и де Ситтером, — расширение Вселенной происходит неограниченно, а ее пространство является эвклидовым и бесконечным.

Наконец, при плотности, меньше критической, пространство тоже бесконечно, но является уже не эвклидовым, а пространством Лобачевского.

Однако это лишь различные теоретические возможности. А как определить среднюю плотность всех существующих форм материи: звезд, межзвездного водорода, электромагнитного излучения, потоков «неуловимых» частиц нейтрино, межгалактического газа, который главным образом состоит из водорода и гелия, и так далее…

Задача весьма непростая, если учесть, что за этим «и так далее» скрываются такие виды материи, которые трудно наблюдаемы, а кроме того, могут в принципе существовать и такие ее формы, о которых мы вообще не имеем пока ни малейшего представления. А это значит, что по крайней мере при современном уровне знаний о Вселенной, у нас нет достаточных оснований для того, чтобы отдать предпочтение одной из существующих возможностей. Чтобы сделать такой выбор, необходимо располагать гораздо более точными оценками средней плотности материи в космических масштабах.

Но все обстоит еще сложнее.