Строение и эволюция вселенной

Поскольку гравитационные взаимодействия являются доминирующими на метауровне организации материи, космологические модели Вселенной должны строиться в соответствии с требованиями теории относительности на основе реально наблюдаемых астрофизических явлений. К таким явлениям относятся:

• однородность и изотропность космического пространства;
• конечная интенсивность светового потока, приходящего из космоса;
• красное смещение в световых спектрах излучения далеких звезд;
• существование реликтового излучения.

Конечное количество света, приходящего от звездного неба, заставляет отвергнуть классические представления о бесконечном космическом пространстве, однородно заполненном звездами.

А. Эйнштейном была предложена модель Вселенной, в которой локальные искривления пространства-времени гравитирующими массами приводят к глобальному искривлению, делающему Вселенную замкнутой по пространственным координатам. Согласно взглядам Эйнштейна, такая Вселенная стационарна, т. е. не изменяется с течением времени.
Следует заметить, что стационарная модель Вселенной Эйнштейна, во-первых, не следует ни из каких-либо наблюдаемых данных, а во-вторых, предполагает существование ненаблюдаемых дополнительных взаимодействий, которые препятствуют сжатию Вселенной под действием гравитационных сил, обеспечивая тем самым ее стационарность.

В настоящее время наиболее известна предложенная А. Фридманом модель расширяющейся Вселенной, которая глобально искривлена из-за наличия гравитационных масс. Рассматриваются две модификации расширяющейся Вселенной. Согласно первой Вселенная расширяется, затем расширение останавливается и сменяется сжатием. В этой модели Вселенная замкнута, ее средняя кривизна положительна. Согласно второй Вселенная расширяется, темп расширения вначале падает, но затем стабилизируется. В этой модели Вселенная безгранична (открыта), незамкнута, пространство-время имеет отрицательную кривизну.

Какая из моделей лучше описывает реальную Вселенную, зависит от средней плотности присутствующей в ней материи. В настоящее время предпочтение отдается второй модификации, поскольку оценки средней плотности вещества во Вселенной, сделанные на основе наблюдаемой концентрации звезд, показывают, что гравитационные силы не с пособны остановить регистрируемое в настоящий момент разбегание галактик. Однако оценки могут существенно измениться в пользу закрытой модели, если будут обнаружены дополнительные скрытые массы несветящегося вещества.

Фиксируемое в настоящее время разбегание галактик требует согласиться с предположением о том, что в прошлом вещество Вселенной было более плотным. Экстраполяция наблюдаемых скоростей на значительно более ранние периоды позволяет оценить время, когда это расширение началось в результате Большого взрыва — около 25 миллиардов лет назад. Известные на сегодняшний день законы физики позволяют воспроизвести достаточно правдоподобный сценарий расширения, начиная с нескольких тысячных секунд после Большого взрыва. Что происходило до этого, например предшествовало ли ему сжатие предыдущего цикла, на современном этапе развития естествознания не обсуждается, поскольку не может быть хотя бы косвенно проверено экспериментально.

В первые моменты после Большого взрыва температура Вселенной была столь высока, что в ней могли существовать только самые легкие элементарные частицы: фотоны, нейтрино и т. п. Быстрое расширение горячего «газа» вело к его охлаждению. Уже на первых секундах расширения стало возможным образование электронов и протонов, существующих в виде горячей плазмы и сильно взаимодействующих друг с другом и излучением, на долю которого приходилась основная часть энергии во Вселенной. Таким образом, на ранней стадии, длящейся около 1 миллиона лет, во Вселенной преобладали электромагнитные и ядерные взаимодействия. После завершения ранней стадии температура упала до величины, допускающей соединение электронов с протонами в нейтральные атомы водорода. С этого момента взаимодействие излучения с веществом практически прекратилось, доминирующая роль перешла к гравитации. Возникшее на стадии «горячей» Вселенной и постепенно остывающее в результате ее расширения излучение дошло до нас в виде реликтового фона.

На последующей стадии — «холодной» Вселенной — на фоне продолжающегося расширения и остывания вещества стали возникать гравитационные неустойчивости: за счет флуктуации плотности водородного газа появились зоны его уплотнения, притягивающие к себе газ из соседних областей и еще больше усиливающие собственное гравитационное поле. Самоорганизация вещества во Вселенной в конечном итоге привела к возникновению крупномасштабной упорядоченной межгалактической ячеистой структуры, а ее дальнейшая фрагментация дала начало будущим галактикам и звездам.