Космологические парадоксы. Что происходит со Вселенной?

Эволюция науки о Вселенной с самого рождения и по настоящее время сопровождалась чередой различных парадоксов. Так, одним из первых был так называемый фотометрический парадокс, возникающий в модели её бесконечности и вечного существования. Он заключался в следующем: если Вселенная бесконечна и существует вечно, то в ней находится бесконечное количество звёзд и за бесконечное время свет от них дошёл бы до нашей планеты. В этом случае небо всегда бы сияло, и такого явления, как ночь попросту бы не существовало. Тоже касается и гравитационного парадокса, возникающего из-за того, что бесконечное количество звёзд, обусловило бы бесконечную массу, что привело бы коллапсу Вселенной.

Решение данных противоречий было в своё время предложено Эйнштейном. В его модели стационарной, но замкнутой Вселенной, находилось определённое количество звёзд. Тем не менее гравитационный парадокс всё же оставался, и, согласно ему, силы гравитации должны были сжать всё вещество во Вселенной. Чтобы избежать этого, Эйнштейн для уравновешивания гравитации ввёл в теорию космологическую постоянную, а также считал, что без космологической постоянной общая теория относительности не могла объяснить однородность и изотропность Вселенной, которая выглядит одинаково из любой точки.

Однако Эйнштейн ошибался. В 1922 году А.А. Фридман доказал, что это возможно только при условии нестатичности Вселенной, т.е. она должна либо расширяться, либо сжиматься. Последующие астрономические наблюдения, основанные на работе А.А. Фридмана, показали правильность описания крупномасштабной структуры Вселенной. Впоследствии Эйнштейн считал, что введение космологической постоянной было грубой ошибкой в его жизни, но между тем эта идея прижилась, и, как отмечал Г. Гамов: «космологическая постоянная … снова и снова поднимала свою безобразную голову».

В 1927 году бельгийский физик и священник (!) Жорж Леметр заметил закономерность: чем отдалённее галактика, тем больше её красное смещение, и чем дальше она была, тем быстрее удалялась.

В 1929 году Хаббл сделал вывод – Вселенная расширяется. Почти в тоже время несколько теоретиков пришли к пониманию, что произошёл своего рода взрыв пространства и времени, впоследствии получивший название «Большой взрыв». Это была фантастическая идея, которая в течение долго времени не находила эмпирических подтверждений и игнорировалась астрономами. Только в 1965 году ситуация кардинально изменилась. Две статьи, одновременно опубликованные в Astrophysical Journal навсегда изменили космологические воззрения учёных. Первая, выполненная четырьмя физиками из Принстонского Университета, предсказала текущую температуру Вселенной, возникшей из изначального огненного шара. В другой, два астронома из Bell Labs сообщили о температуре излучения, зафиксированного радиоантенной, известного сегодня как космический микроволновой фон. С этого времени идея взрывного начала происхождения Вселенной неизменно брала верх над альтернативными космологическими моделями. В 1970 году Аллан Р. Сэндидж предложил два числа, характеризующие процесс расширения. Первое, это текущая скорость расширения Вселенной – постоянная Хаббла. Второе число представляло собой скорость, с которой это расширение замедлялось – параметр замедления.

В 1980-х годах обнаружилась парадоксальность теории Большого взрыва, постулирующая начальные условия взрывного процесса. Согласно этим представлениям, температура должна была быть бесконечной, также, как и плотность вещества, кроме того, вводилось нулевое время, но данные параметры не имели физического смысла. Также эта теория не могла объяснить трёхмерность нашего пространства, как и ряд других параметров. Чтобы исправить эти парадоксальные недостатки А. Гут предложил модификацию данной теории, введя конкретные физические показатели температуры, давления и ряд других, предположив, что в самом начале своего рождения из квантового вакуума Вселенная прошла фазу быстрого и интенсивного расширения (инфляцию), после чего темп расширения должен оставаться постоянным. Из теории инфляции следует, что в разное время скорость расширения не была одинакова. Между тем космологи пребывали в уверенности, что после инфляционной фазы через какой-то промежуток времени должно было начаться замедление этого процесса, поскольку силы гравитации обязаны тормозить расширение.

В конце 1980-х годов начались исследования процесса замедления расширения. В качестве объектов были выбраны сверхновые типа Ia, яркость которых является у всех одинаковой и может зависеть только от расстояния до них. Если расширение замедляется на большом расстоянии, то сверхновая будет ближе и, следовательно, ярче, чем если бы Вселенная расширялась с постоянной скоростью. Между тем самые отдалённые сверхновые оказались тусклее, чем ожидалось. В 1998 году учёные пришли к выводу, что расширение не замедляется, а наоборот ускоряется. Причиной этого ускорения была названа «тёмная энергия», которая составляет более двух третей от всей массы нашей Вселенной.

Ещё более парадоксальные результаты наблюдений свидетельствовали о том, что до семи – восьми миллиардов лет после Большого взрыва, и фазы инфляции, и темп расширения действительно замедлялись. Вместе с тем впоследствии под действием неизвестных причин «антигравитационные силы» стали преобладающими, и замедление сменилось ускоренным расширением, продолжающимся и в настоящее время. Свойства «тёмной энергии», ответственной за ускоренное расширение, в чём-то соответствуют космологической постоянной Эйнштейна, и её антигравитационная сила, природа и происхождение остаются неизвестными.

Возможно, рассмотрение космологической постоянной с точки зрения стандартной модели физики элементарных частиц позволит определить подходы к её исследованию. Если расширение пространства будет осуществляться со всё бо́льшим ускорением, то это приведёт к уничтожению всей материи, и Вселенной уготована неожиданная судьба, называемая «Большой разрыв».

Особая дискуссия развернулась по поводу астрономических наблюдений, касающихся постоянной Хаббла (H0), текущей скорости расширения. Первоначально сам Сэндидж считал, что H0 составляет около 50 (скорость расширения, выраженная в километрах в секунду на 3,26 миллиона световых лет). Отсюда вытекало, что возраст Вселенной составляет 20 млрд лет. Другие придерживались значения H0 близкой к 100, и это соответствовало возрасту в 10 млрд лет. Более точные наблюдения с использованием телескопа Хаббла и других инструментов привели к результатам с меньшим разбросом значений, лежащих в интервале от 72 до 73.

При этом в качестве объектов наблюдения использовались не только сверхновые, но и цефеиды, а также красные сверхгиганты. В результате были получены значения 67,4. с небольшими расхождениями.
Различные методы и объекты наблюдений дали разное значение постоянной Хаббла, что вызвало кризисную ситуацию. Исследователи рассматривают несколько возможностей для разрешения ситуации.

Так, согласно одной из них, лестница расстояний зависит от прочности её ступеней – стандартных свечей. В любом научном наблюдении, конечно, возможны систематические ошибки. Тем не менее независимые наблюдения за космическим микроволновым фоном на Южном полюсе, включающие телескоп и миллиметровую матрицу Атакамы показывают, что ошибок нет.

Если источник разногласий по поводу постоянной Хаббла не в наблюдениях ранней и поздней Вселенной, то тогда у космологов остаётся вариант связанный с «новой физикой». Новая физика должна включать в себя процессы и явления, которые выходят за рамки наших сегодняшних знаний о Вселенной. По-видимому, она должна объяснить разные темпы расширения в различные периоды развития Вселенной и построить модель её будущего существования.