Космологические этюды. Этюд Первый. Космология подарила физике понятие «эволюции».

Модель А.А. Фридмана основывалась на решении уравнений общей теории относительности Эйнштейна для случая изотропного и однородного распределения вещества. Термин "изотропия" означает, что свойства вещества Вселенной, наблюдаемые из одной точки в разных направлениях являются одинаковыми. Термин "однородность" означает, что свойства вещества в разных точках пространства тоже одинаковы. Основные характеристики вещества – это плотность, давление и температура. Именно они распределены однородно и изотропно. В земных условиях вещество далеко от однородности и изотропии, но если мы рассмотрим куб размером в один парсек и посчитаем среднюю плотность в таком кубе, а затем будем передвигать этот куб, то обнаружим, что контраст плотности значительно меньше, чем в земных условиях. Чем больших размеров куб мы будем рассматривать, тем все более однородным окажется в нем распределение вещества. В космологии масштаб, с которого Вселенная становиться приблизительно однородной и изотропной, имеет размер 200 000 000 парсек.

Открытый Хабблом закон гласит, что чем дальше от нас находится галактика, тем быстрее она от нас удаляется, ее скорость пропорциональна расстоянию до нее. Закон Хаббла описывает однородное и изотропное расширение вещества - если переместить наблюдателя в любую другую точку пространства, «разбегание» галактик будет выглядеть точно так же. Вид этого закона указывает на поступательный характер эволюции Вселенной. Хаббловское движение начинается только с внегалактических масштабов и принципиально отличается от кеплеровского закона движения небесных тел.

Сам факт расширения Вселенной считался твердо установленным уже в середине двадцатого века, хотя причины, приведшие к такому закону эволюции, вплоть до конца двадцатого века являлись загадочными. Стандартная космологическая модель Фридмана не могла ответить на вопрос о физических причинах разлета галактик, ведь казалось, силы притяжения должны были бы противодействовать этому разлету. Ответ на этот вопрос удалось дать лишь в последние годы благодаря применению к ранней Вселенной результатов, полученных в современной физике элементарных частиц.

Космология во многом изменила мировоззрение ученых. Ведь до ее возникновения в физике отсутствовала эволюция! Законы физики являлись статическими и неизменными. В астрономии, конечно, присутствовали изменения во времени, но они являлись отражением стационарной картины Вселенной, поскольку носили циклический характер, связанный, прежде всего, с вращением Земли вокруг Солнца.

В связи с тем, что эволюция во Вселенной присутствует в явном виде, в науке о Вселенной появляются некоторые кинематические величины и понятия, которые отсутствуют в физике. Важнейшее из них - понятие ГОРИЗОНТА ЧАСТИЦ. Вселенная существует 14.7 миллиардов лет. В трехмерно плоском стационарном пространстве-времени мы видели бы события только внутри шара с фиксированным размером, равным произведению скорости света на время, прошедшее с рождения Вселенной. От более далеких точек пространства световой сигнал до нас еще не дошел. Поскольку скорость света - это предельная скорость в природе, то никаким способом получить сейчас информацию о том, что происходит вне этого шара невозможно. Этот радиус и называется радиусом горизонта частиц во Вселенной.

Известно, что Вселенная расширяется, следовательно, реальный горизонт частиц окажется больше, причем его размер будет зависеть от точного закона расширения Вселенной, то есть, от вещества, ее заполняющего.

В трехмерно-плоском пространстве размер горизонта частиц растет с возрастом и рано или поздно все области Вселенной окажутся доступными для изучения, но это не так в расширяющейся Вселенной. В частности, в ускоренно расширяющейся Вселенной размер горизонта частиц может стремиться к постоянной величине. Это означает, что есть области принципиально не наблюдаемые. Размер горизонта частиц ограничивает размер причинно-связанных областей. Действительно, пространственные точки, разделенные расстоянием больше чем размер горизонта, никогда не взаимодействовали в прошлом. Поскольку самое быстрое взаимодействие (обмен лучами света) еще не произошло, то и любое другое взаимодействие исключено. Поэтому никакое событие в одной точке не может иметь в качестве своей причины событие, произошедшее в другой точке. Таким образом, в случае, когда размер горизонта частиц стремиться к постоянной величине, Вселенная разбивается на причинно несвязанные области, эволюция в которых протекает независимо друг от друга.

Хранитель Дан
18.04.2008