Космологія і походження Всесвіту

Проблема пристрою спостережуваного нами зовнішнього світу завжди була для людства однією з найцікавіших. З найдавніших часів люди жадали зрозуміти, чому існують зірки і планети, як вони рухаються і в чому причина цього руху, скільки зірок на небі і чому ми їх бачимо і бачимо ми всі об’єкти Всесвіту, чи є об’єкти, які ми не бачимо, і як такі об’єкти виявити … На багато з цих і подібних цим питань сучасна наука в змозі сьогодні дати правильні і вичерпні відповіді, проте багато що все ще ховається в тумані здогадок і припущень.
Сьогоднішнє людство виробило два підходи до вирішення цієї загадки.
Один відповідь дає релігія (жодна релігія не ігнорує цю проблему), яка стверджує, що Всесвіт є продукт Божественного промислу (в монотеїстичних релігіях це акт створення всього сущого Творцем – подія, раціональне пояснення якого в принципі неможливо, воно ірраціонально по суті).
Інший відповідь дає космологія – розділ фізики та астрономії. Про це і піде мова.
Ми не будемо торкатися донаучних уявлень про будову Всесвіту в цілому (це окремий і дуже цікаве питання).
Можливість раціонального наукового пояснення структури Всесвіту вперше з’явилася після створення класичної механіки Ньютона (XVII століття).
Згідно класичній механіці рівняння руху всякого тіла можна написати, якщо відомі всі сили, що діють на тіло. Ньютон, відкривши закон всесвітнього тяжіння, тим самим відкрив можливість математичного опису руху всіх тіл у Всесвіті. І дійсно, класична механіка відразу ж дозволила з величезною точністю передбачити рух планет та інших тіл (комет, астероїдів і т.п.) в Сонячній системі. Це був один з видатних наукових тріумфів в людській історії. За минулі з того часу три століття наглядова астрономія на сотнях прикладів переконала нас у правильності класичної механіки. Але деякі питання залишилися відкритими. Наприклад, спостерігаючи сьогоднішню Всесвіт, ми бачимо, що в доступних для спостереження областях матерія (якщо розглядати великі масштаби, що містять тисячі і мільйони галактик) в середньому розподілена приблизно рівномірно. Чи було так завжди? І якщо було, то чому? Класична механіка не дає задовільної відповіді. Якщо матерія «у великому» розподілена рівномірно, то природним є припущення про нескінченність Всесвіту в просторі. А тоді виникають деякі парадокси. Наприклад, нескладно підрахувати, що якщо в нескінченному Всесвіті в середньому матерія розподілена рівномірно (іншими словами, середня щільність матерії постійна), а між будь-якими двома матеріальними об’єктами діють сили всесвітнього тяжіння, то сумарний потенціал в будь-якій точці простору має бути нескінченним. Якщо частина об’єктів в такий Всесвіту випромінює світло, то сумарний світловий потік в кожній точці також має бути нескінченним. Число таких парадоксальних висновків можна продовжити.
Двадцяте століття поставив перед космологією й інші питання, які раніше просто нікому не приходило в голову задавати. Створена на початку століття в роботах Лоренца, Пуанкаре, Ейнштейна, Маньківського спеціальна теорія відносності показала, що простір і час не є незалежними сутностями і їх слід об’єднати в єдине чотиривимірний різноманіття, що отримало назву «чотиривимірний простір – час Маньківського». Уже в 1914 р Нордстрем з університету в Гельсінгфорсі зробив спробу об’єднати електромагнітні та гравітаційні взаємодії, висунувши варіант 5-мірної теорії електромагнетизму. І хоча ця спроба виявилася не дуже вдалою, однак вона з очевидністю породила запитання: «А чому, власне, ми думаємо, що матерія існує саме в 4-вимірному світі? Скільки вимірів (і чому) має реальний світ? ». Так виникло ще одне запитання, на який класична механіка не може дати ніякої відповіді.
У 1913 р була опублікована робота Ейнштейна і Гроссмана, де було вперше показано, що найбільш природним способом включення гравітації в спеціальну теорію відносності є введення 4-мірного простору – часу, що володіє кривизною (на математичній мові – необхідність використання в чотиривимірному світі неевклідової метрики) . Ця ідея була революційною. Гравітація повністю укладалася в геометрію простору – часу. Найпростішим прикладом кривого простору двох вимірів є поверхня сфери (рис. 1). Цей приклад важливий і в тому плані, що ми фактично і живемо в такому просторі (на поверхні земної кулі). Залишалося тільки знайти рівняння, яким повинен задовольняти метричний тензор чотиривимірного простору. Два роки пошуків було потрібно для цього, і в 1915 р Гильбертом і Ейнштейном такі рівняння були знайдені. Так виникла загальна теорія відносності (ЗТВ), що дозволила по-новому поставити (і частина з них вирішити) основні питання космології.

Посилання на основну публікацію