По следам бесконечности

После изысканий Шезо и Ольберса, в соответствии с их первоначальной идеей, были предприняты довольно многочисленные попытки устранить фотометрический парадокс ссылкой на поглощение света рассеянной межзвездной материей. Но в 1973 году советский астроном академик Василий Григорьевич Фесенков показал, что и это не спасает положения. Межзвездная материя не столько поглощает свет звезд, сколько рассеивает его. Таким образом, ситуация оказалась еще более сложной.

Еще одна попытка устранить фотометрический, а заодно и гравитационный парадокс, была предпринята Шарлье, который выдвинул идею об иерархическом строении Вселенной. «Вселенная Шарлье» — это совокупность вложенных друг в друга систем все более высокого порядка: звезды — звездные скопления — скопления звездных скоплений и т. д. И чем выше порядок системы, тем сильнее она разрежена.

Такая схема действительно устраняла парадоксы, по картина Вселенной получалась при этом явно искусственной: в центре чрезвычайно плотное скопление звезд, а с увеличением расстояния звезд все меньше и меньше.

Наконец, третий парадокс возник при попытке применить к стационарной Вселенной законы термодинамики — науки о тепловых процессах. Поскольку такая Вселенная существует бесконечно долгое время, то в ней давно должно было бы наступить полное термодинамическое равновесие — «тепловая смерть». Все тепло должно было бы равномерно распределиться между всеми телами, и всякие тепловые процессы полностью прекратились бы.

Таким образом, два парадокса отрицали бесконечность однородной стационарной Вселенной в пространстве, а третий — ее бесконечность во времени.

Но если парадоксы теории множеств не получили своего решения и по сей день, то судьба космологических парадоксов оказалась совершенно иной.

С появлением общей теории относительности сам собой отпал гравитационный парадокс Зеелигера — в этой теории он просто не возникает.

В свою очередь, теория расширяющейся Вселенной наполовину «расправилась» с термодинамическим парадоксом. Если Метагалактика существует «всего» несколько миллиардов лет, то тепловое равновесие в ней просто еще не успело установиться. И хотя это соображение отнюдь не снимает вопроса о «тепловой смерти» Вселенной вообще (в будущем), по отношению к прошлому оно устраняет все противоречия.

Что же касается будущего, то эту задачу исследовал американский физик Р. Толмен. Ему удалось показать, что благодаря наличию гравитации даже в конечной Вселенной не может существовать состояния с максимальной энтропией.

Примерно к такому же выводу с позиций статистической физики пришел и советский ученый профессор К. П. Станюкович.

Нашел себе объяснение в теории расширения Метагалактики и фотометрический парадокс.

Поскольку галактики разбегаются, в их спектрах, как мы уже знаем, происходит красное смещение спектральных линий. В результате частота, а значит, энергия каждого фотона уменьшаются. Ведь красное смещение — это сдвиг электромагнитного излучения в сторону более длинных волн. А чем больше длина волны, тем меньшую энергию несет с собой излучение. И чем дальше галактика, тем больше красное смещение, а значит, тем сильнее ослабляется энергия каждого приходящего к нам фотона.

Помимо этого, непрерывное увеличение расстояния между Землей и удаляющейся галактикой приводит к тому, что каждый следующий фотон вынужден преодолевать несколько больший путь, чем предыдущий. По этой причине фотоны попадают в приемник реже, чем они испускаются источником. Следовательно, уменьшается и число приходящих в единицу времени фотонов, что также приводит к понижению количества приходящей в единицу времени энергии. Вследствие красного смещения происходит не только перемещение излучения в область более низких частот, но и ослабление его энергии.

Следовательно, красное смещение ослабляет излучение каждой галактики. И тем сильнее, чем дальше она от нас находится.

Именно поэтому ночное небо остается черным.

Таким образом, теория расширяющейся Вселенной, возникшая как одно из следствий общей теории относительности, явилась очередным шагом в познании Вселенной, в том числе ее геометрических свойств.

Но это был не просто новый вариант решения проблемы, а принципиально новый подход к ней. Если раньше ученые искали окончательного ответа на вопрос о конечности или бесконечности Вселенной, исходя из тех или иных умозрительных или теоретических соображений, то теория расширяющейся Вселенной предоставила решение этого вопроса фактам, которые надо было получить в результате изучения реального мира.

Но и новая космология однородной изотропной расширяющейся Вселенной ставила вопрос о бесконечности по принципу «или — или…». Или Вселенная бесконечна, или — конечна. Одно исключает другое. И, следовательно, задача науки заключается в том, чтобы выяснить, какая из этих двух возможностей реализуется в природе.

Но уже А. Фридман понимал, что подобная постановка вопроса является сильно упрощенной, даже наивной.

Попытка реванша