Зарождение теории Большого взрыва
О теории Большого взрыва слышали все, даже те, кого вовсе не интересуют теории происхождения Вселенной. Однако прошло уже около ста лет с момента появления этой теории. С тех пор астрономия и теоретическая физика сильно изменились. Ученые могут сказать об окружающем мире уже гораздо больше. Мы способны находить планеты в ближайшей окрестности и судить об условиях жизни на них. Нам известна физика перерождения звезд, физика черных дыр. Мы можем заглянуть вглубь космоса (а заодно и вглубь времени) благодаря новейшим телескопам на орбите Земли. За сто лет представления о зарождении вселенной и ее дальнейшей судьбе окрепли и детализировались. Астрофизика все еще содержит море нераскрытых загадок, необъясненных эффектов.
Научная мысль не стоит на месте. Постоянно проводятся новые исследования дальнего космоса. Недавно команда ученых из университета Yonsei в Сеуле (Южная Корея) во главе с Янг-Ук Ли закончила свой девятилетний труд по исследованию галактик и вновь поставила под сомнение современную космологию. По результатам своего труда они заключили, что один из базовых элементов современной теории происхождения вселенной (темная энергия, к которой мы еще вернемся) является ошибочным. Они оценили достоверность своей работы в 99,5%. Результаты их исследований были представлены на заседании Американского Астрономического общества в Гонолулу, затем опубликованы в Astrophysical Journal в январе 2020 года. Кроме того, существует масса теорий других ученых, исключающих темную энергию из картины мира. Например, теория Николая Горькового и Александра Василькова, опубликованная в 2016 году в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
В современной космологии темная энергия существует уже более 20 лет. За ее открытие Сол Перлмуттер, Брайан Шмидт и Адам Райсс даже получили Нобелевскую премию в 2011. Всю значимость ее исключения из современных представлений можно оценить, только рассмотрев общепринятую космологическую модель. Но прежде стоит разобраться в том, как она появилась на свет, а заодно какие проблемы стоят перед учеными в этой области и какие открытия могут ожидать нас в будущем. В этом цикле статей мы попробуем упорядочить всю историю научных теорий зарождения космоса. Итак, начнем.
Идея нестационарной вселенной
До появления исследований Хаббла, породивших теорию Большого взрыва, считалось, что Вселенная статична и вечна. Галактики остаются на своих местах, и мир в целом работает, как заведенный когда-то часовой механизм. Непонятно, кто и когда запустил законы мира, но в данный момент мир статичен и познаваем. Такого мнения придерживался, в том числе, и Альберт Эйнштейн.
Эйнштейн создал уравнения Общей теории относительности (ОТО), которые усовершенствовали ньютоновскую физику движения и притяжения твердых тел. Уравнения Ньютона стали частным случаем системы Эйнштейна. Новая теория улучшила представления человечества о космосе и позволила сделать удивительные выводы, например, о том, что свет меняет направление движения под действием сил гравитации, что ранее показалось бы абсурдом. Так новое в науке всегда проходит стадию неприятия. Но с ОТО было несколько проще, потому что Эйнштейн обладал непререкаемым авторитетом в научном сообществе, и оно сравнительно охотно приняло новую физику. А вот русского никому не известного ученого постигла иная участь.
Александр Фридман — советский физик и математик, занимавшийся метеорологией. В 1922 году на основе уравнений Эйнштейна он разработал собственную математическую теорию нестационарной Вселенной, где данные уравнения были только частным случаем. В общем же случае Вселенная могла бы расширяться или сжиматься.
Фридман получил множество решений уравнений, которые отличались величинами плотности вещества в космосе и радиуса Вселенной, а Эйнштейн ограничивался только одним решением — стационарной Вселенной. Фридман разделил все решения на три класса. Они изображены на графике ниже. По вертикальной оси откладывается радиус вселенной, а по горизонтальной — время.
Данная теория публикуется в научном издании Zeitschrift für Physik в 1922 году, в 10-м томе издания. На что Эйнштейн отвечает резкой критикой в 11-м томе. Он утверждает, что Фридман ошибся в расчетах. Фридман отправляет ему письмо с подробными разъяснениями, но Эйнштейн получает его с большой задержкой по причине своего отъезда в кругосветное турне. Письмо оказывается достаточно убедительным. Некоторое время спустя Юрий Крутков, советский физик-теоретик, встречается с Эйнштейном в Лейдене, ему удается развеять последние сомнения великого физика. На следующий год в 16-м томе журнала Эйнштейн признает, что ошибался на счет теории Фридмана. Сам Фридман писал в связи со всеми этими событиями: «Воды, в которые я вступаю, не пересекал еще никто».
Позже Фридман нашел еще одну группу решений уравнений Эйнштейна. На этот раз он предположил, что пространство имеет не положительную кривизну (замкнутое пространство — гиперсфера), а отрицательную (бесконечное пространство — гиперболоид). В дальнейшем эта теория не подтвердилась. Фридман умер молодым и не оставил работ по развитию своих моделей. Его теории долго оставались обделены вниманием научной общественности. Только через несколько десятилетий астрономы получили данные, подтверждающие верность одной из моделей Фридмана.
В 1927 году независимо от Фридмана святой отец, а также астрофизик, Жорж Леметр вывел те же уравнения. Во время пребывания в США он ознакомился с исследованиями Хаббла и дал им объяснение, создав теорию о расширяющейся Вселенной. Но он, в отличие от предшественника, сделал из этого следующий вывод: если вернуться назад во времени, то в определенный момент Вселенная сожмется в одну точку, некий «первичный атом». То есть должно иметь место первоначальное «подобное творению» событие. С таким выводом Леметр выступил на Сольвеевском конгрессе в Брюсселе (среди слушателей был Альберт Эйнштейн). Кроме того, он первым сформулировал зависимость между расстоянием и скоростью движения галактик и предложил в 1927 году первую оценку коэффициента этой зависимости, известную ныне как постоянная Хаббла. Эйнштейн же сказал Леметру на конгрессе в Брюсселе: «Ваши вычисления правильны, но ваше понимание физики отвратительно». Научное сообщество в целом отнеслось к его идеям негативно.
Леметр при опубликовании перевода работы в заметках Британского королевского астрономического общества отказался от публикации ряда результатов, в том числе закона Хаббла, из-за недостаточности наблюдательных данных. Величина коэффициента зависимости была эмпирически установлена самим Эдвином Хабблом несколько лет спустя.
Научное сообщество, как ни странно, догматично. Новое принимается не сразу и ценой больших трудов и даже разрушенных жизней ученых. Как ставились под сомнение работы Эйнштейна, так и сам Эйнштейн активно препятствовал приходу новых теорий, противоречащих его утверждениям. Только авторитет Хаббла и его бесспорные научные данные переломили мнение мирового сообщества, сложившееся относительно идеи нестационарной вселенной. В следующей статье вы сможете прочитать подробнее об открытии Хаббла.
Читайте также: Открытие закона Хаббла
