Геометрія Всесвіту
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Що таке наш Всесвіт, які закони управляють його еволюцією; які теореми геометрії, вірніше, теореми якої геометрії для нього справедливі? Ще зовсім недавно подібні питання були надзвичайно екзотичними. За останні роки вони стали майже тривіальними, і про них що-небудь та відомо майже всім, хто серйозно цікавиться сучасною наукою.
Сьогодні я хочу нагадати кілька відомостей про властивості геометрії нашого Всесвіту. Ейнштейн звернув увагу на те, що вивчати Всесвіт без використання ідей і апарату загальної теорії відносності неможливо, а теорія приводить до радикальних висновків про структуру Всесвіту.
Найбільш великими після робіт Ейнштейна в цій області були дві роботи фізика і математика А. А. Фрідмана, опубліковані в 1922 і в 1924 роках. Називаються ці роботи «Про кривизну простору» і «Про можливість світу з негативною кривизною». У них Фрідман встановив дуже важливий факт, що геометрія світу залежить від часу і що всі лінійні розміри нашого Всесвіту змінюються в часі. Фрідман сказав, що в принципі можуть існувати всесвіти різного типу. Положення можна коротко описати так. Еволюція Всесвіту залежить від кількості матерії в ньому – від її щільності. В теорії існує деяка величина, яку зручно називати критичною щільністю. Вона визначається з швидкості розбігання галактик. За сучасними оцінками вона дорівнює 2-10 грамів в кубічному сантиметрі. Якщо реальна щільність світу більше, то спочатку розміри світу будуть збільшуватися, потім він почне звужуватися. Якщо щільність нижче, розміри нашого Всесвіту будуть необмежено зростати.
Ці твердження Фрідман зробив на початку двадцятих років. Через п’ять років вони були підтверджені експериментально людиною, яка, в загальному, не приймала висновки загальної теорії відносності, – американським астрономом Хабблом.
Всі видимі галактики віддаляються одна від одної і від нас зі швидкістю, приблизно пропорційною відстані, на якій галактики знаходяться від нас. Такий закон Хаббла. Однак треба уточнити, що ми розуміємо під відстанню галактик і їх швидкістю в нашому зоряному світі, який ще не дуже давно називався «сферою нерухомих зірок».
Як виміряти швидкість галактик? Є простий спосіб, який базується на так званому червоному зміщенні. Якщо об’єкт, що світився віддаляється від нас, то лінії випромінюваного ним спектра зміщуються в червону сторону. Чим швидше рухається об’єкт, тим більше в червону сторону зрушені його спектральні лінії.
З кожним парсеком швидкість тікання галактик зростає приблизно на 75 кілометрів в секунду. (Парсек – астрономічна одиниця довжини, рівна тій віддалі, з якої радіус земної орбіти видно під кутом в 1 секунду. Парсек становить 3,26 світлового року). Цей закон добре перевірений астрономами.
Той факт, що Всесвіт розширюється, являє собою експериментальний факт. Був час, коли щільність світу досягала величезної величини. З швидкості розбігання туманностей можна оцінити, що це було близько 10 мільярдів років тому. Раніше вважалося, і абсолютно необґрунтовано, що вік всіх об’єктів Всесвіту наближається до 10 мільярдів років, тобто що всі тіла на зоряному небі виникли в один час. Зараз же добре встановлено, що у Всесвіті існують годинник або календар, що показують різний час. Є старі зірки і галактики. Є галактики молодші. А надзірки, про які піде мова в наших наступних статтях, виникли зовсім недавно. Цей годинник показує час «всього» в мільйони років. Але немає годинників, які показували б час більше 10 мільярдів років. Це експериментальний факт, який не можна ігнорувати.
Що ж буде з моделлю Всесвіту в майбутньому, що чекає нас через мільярди років? Якщо щільність буде досить велика (а величину щільності нашого Всесвіту ми ще не знаємо точно), то в подальшому світ повинен буде почати стискатися. Але недавні роботи професора В. М. Лівшиця, І. М. Халатникова і В. В. Судакова показали, що модель не обов’язково повинна призводити до цього, може виявитися, що стиснення ніколи не настане. Це – суттєве додавання сучасних фізиків до моделі Фрідмана.
Автор: Я. Смородинський.