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.