Бесконечность Вселенной в релятивистской космологии

Современ­ные представления о Вселенной основаны на релятивистской космо­логии, у истоков которой стоят А. Эйнштейн и А. Фридман. Как науч­ная дисциплина космология исследует структуру и свойства Вселен­ной и ставит проблему пространственно-временной бесконечности;

Веками и тысячелетиями складывались представления о бесконечно­сти мира в пространстве и времени. Они уходили своими истоками в античную натурфилософию и космологию. В возникшей в связи с об­щей теорией относительности релятивистской космологии оказалось возможным строить как бесконечные, так и конечные в пространст­венно-временном отношении модели Вселенной. Поскольку реляти­вистская концепция Вселенной подразумевала поначалу всю мысли--мую материальную Вселенную, то идея ее «начала» вела, казалось, к полному перевороту и отрицанию идеи бесконечности. Утверждения космологов-релятивистов о единственности и всеохватности нашей расширяющейся Вседенной - Метагалактики напоминало многократно повторяемые в прошлом заявления о единственности Земли, со свети­лами вокруг нее, единственности солнечной системы или Галактики. На самом деле космологические модели Вселенной, хотя и строились с целью объяснения мира в целом, объясняли лишь некоторый его фрагмент, описывали локальную область универсума. Космологические представления относительно конечности-бесконечности пространства и времени, проинтерпретированные как относящиеся к данной ло­кальной области и не распространяющиеся на все мировое простран­ство и время, идею бесконечности не опровергали.

Вскоре после создания общей теории относительности в 1917г. Эйнштейн построил первую релятивистскую модель Вселенной. Он исходил из следующих предположений, которые впоследствии были подвергнуты критике:

1. Вещество и излучение распределено во Вселенной в целом равномерно. Отсюда следует, что пространство Вселенной одно­родно и изотропно. Хотя вблизи массивных объектов геометрия пространства-времени изменяется, это изменение - лишь незна­чительное отклонение от однородного изотропного пространства Вселенной, обладающего постоянной кривизной.

2. Вселенная стационарна, неизменна во времени. В связи с этим геометрия пространства не может иметь эволюцию. Мир Эйн­штейна обычно называют «цилиндрическим», так как его можно представить в виде бесконечно протяженного четырехмерного ци­линдра. Вдоль образующей цилиндра простирается ось времени, она неограниченно направлена как в прошлое, так и в будущее. Сечение цилиндра дает пространство. В данной модели - это трехмерное сферическое пространство с постоянной положительной кривиз­ной. Оно имеет конечный объем. Это не следует понимать так, что имеется какой-то «край света», за которым ничего не существует. Просто пространство, выражаясь фигурально, «замыкается само на себя», благодаря чему в нем можно бесконечно кружить, никогда не наталкиваясь на преграду.

Однако «цилиндрический мир» Эйнштейна уже в прошлом. Попытки Эйнштейна построить стационарную модель Вселенной в настоящее время рассматриваются как дань традиционным пред­ставлениям о неизменном существовании Вселенной в вечности. Следует обратить внимание и на тот факт, что стационарная модель Вселенной получена Эйнштейном на основании специальных допу­щений.

Более современное решение этой космологической проблемы было дано советским математиком А.Фридманом и развито бель­гийским космологом М.Леметром. Фридман отказался от предполо­жения о стационарности мира, сохранив постулат его однородно­сти и изотропности. При этом стали возможны три решения:

1. Если плотность вещества и излучения во Вселенной равна не­которой критической величине, то пространство является евкли­довым, т.е. обладает нулевой кривизной, и мир бесконечен.

2. Если плотность меньше критической, то пространство Вселен­ной описывается геометрией Лобачевского, обладает отрица­тельной кривизной и бесконечным объемом, оно открыто и выглядит как седловина.

3. Если же плотность вещества во Вселенной больше критической, то пространство имеет положительную кривизну, оно безгра­нично, но объем его конечен. Мир оказывается замкнут и ко­нечен. Он описывается геометрией Римана.

Мнения ученых расходятся. Одни приняли гипотезу бесконеч­но расширяющейся Вселенной и считают, что согласно концепции «большого взрыва» около 17-20 миллиардов лет назад Вселенная была сконцентрирована в ничтожно малом объеме в сверхплотном сингулярном состоянии. Произошедший «большой взрыв» положил начало расширению Вселенной, в процессе-которого плотность ве­щества изменялась, кривизна пространства разглаживалась. Другие считают, что на смену расширению вновь придет сжатие и весь про­цесс повторится. На этом основании выдвигается гипотеза пульси­рующей Вселенной, в которой приблизительно каждые 100 милли­ардов лет все начинается с «большого взрыва». В одной из наиболее поражающих воображение гипотез предполагается, что в результа­те «начального взрыва» в гравитационном сверхпространстве из син­гулярного состояния возникла не одна наша Метагалактика, а мно­жество метагалактик. Каждая из них может иметь самые разнообраз­ные значения всех физических параметров: пространствоособой то­пологии (локально-открытое или локально-замкнутое с разным количеством измерений) и свое космологическое время (возможно, неодномерное).

В современных концепциях «множественных миров» рисуется удивительная картина Вселенной. И это согласуется с основным положением фундаментальной философии, согласно которому про­странственно-временную бесконечность материального мира следу­ет понимать не в смысле метрической бесконечности, а как неис­черпаемое разнообразие пространственно-временного континуума.

Вопрос о том, будет ли Вселенная расширяться или начнется процесс сжатия, остается открытым. Хотя явление «красного сме­щения» в настоящее время является общепризнанным фактом, сви-' детельствующим об удалении источника излучении, т.е. о том, что галактики «разлетаются» оо скоростями, примерно пропорциональ­ными расстоянию до них. Так называемое «красное смещение» было открытой 1912 г. В.Слайфером, который зафиксировал смещение спектральных линий излучения внегалактических туманностей к красному концу спектра. Спустя некоторое время (в 1929 г.) Э.Хаббл установил закон, согласно которому, чем дальше от наблюдателя находится туманность, тем больше величина красного смещения, тем больше скорость, с которой она удаляется от него. И на боль­ших расстояниях скорости галактик достигают гигантских значений.

Тем не менее существует теоретическая возможность того, что наряду с расширением можно предположить модель сжимающейся или даже пульсирующей Вселенной, в которой конечная в простран­стве, но бесконечная во времени Вселенная попеременно то рас­ширяется, то сжимается.