Сочинський Державний Університет Туризму і Курортного Справи

Реферат:

На тему: Модель великого вибуху і розширюється Всесвіту

Виконав Голиков А.С.

Студент 2 курсу

Групи 20 ДМУ

СОЧІ 2002

введення.

Однією з основних концепцій сучасного природознавства є вчення про Всесвіт як єдине ціле і про всю охопленої астрономічними спостереженнями області Всесвіту (Метагалактика) як частини цілого -- космологія.

Висновки космології і грунтуються на законах фізики, і на даних спостережної астрономії. Як будь-яка наука, космологія у своїй структурі крім емпіричного і теоретичного рівнів має також рівень філософських передумов, філософських підстав.

Так, в основі сучасної космології лежить припущення про те, що закони природи, встановлені на основі вивчення дуже обмеженої частини
Всесвіту, найчастіше на основі дослідів на планеті Земля, можуть бути екстрапольовані на значно більші області, в кінцевому рахунку - на всю
Всесвіт. Це припущення про стійкість законів природи в просторі і часу відноситься до рівня філософських підстав сучасної космології.
Мета мого реферату полягає в тому, щоб розібратися, що ж все-таки представляє з себе всесвіт. У моєму рефераті поставлені такі завдання:

1. Вивчити, як стався той темп розвитку всесвіту, починаючи з моменту

«великого вибуху»?

2. Розглянути погляди різних вчених, філософів, політологів про те, як розширюється всесвіт?

3. Дослідити, чому Всесвіт почала розширюватися зі швидкістю, настільки близькою до критичної, яка розділяє моделі з повторним стиском і моделі з вічним розширенням, так що навіть зараз, через десять тисяч мільйонів років, Всесвіт продовжує розширюватися зі швидкістю, приблизно рівною критичної?

1. Модель Великого Вибуху

Модель еволюційної історії Всесвіту, відповідно до якої вона виникла в нескінченно щільному стані і з тих пір розширюється. Ця подія відбулася від 13 до 20 мільярдів років тому і відоме як "Великий

Вибух". Теорія Великого Вибуху тепер загальноприйнятою, так як вона пояснює обидва найбільш значних факту космології: розширюється Всесвіт і існування космічного фонового випромінювання. Можна скористатися відомими законами фізики і прорахувати в зворотному напрямку всі стани, в яких знаходилася Всесвіт, починаючи з 10-43 секунд після

Великого Вибуху. Протягом першого мільйона років речовина та енергія у

Всесвіту сформували непрозору плазму, іноді звану первинним вогненною кулею. До кінця цього періоду розширення Всесвіту змусило температуру опуститися нижче 3000 K, так що протони і електрони змогли об'єднуватися, утворюючи атоми водню. На цій стадії Всесвіт стала прозорою для випромінювання. Щільність речовини тепер стала вище щільності випромінювання, хоча раніше ситуація була зворотною, що й визначало швидкість розширення Всесвіту. Фонове мікрохвильове випромінювання - все, що залишилося від сильно охолодженого випромінювання раннього Всесвіту. Перші галактики почали формуватися з первинних хмар водню і гелію тільки через один або два мільярди років. Термін "Великий Вибух" може застосовуватися до будь-якої моделі розширюється Всесвіту, яка в минулому була гарячою і щільною.

1.1. Гіпотетичний уявлення про Всесвіт

Якось один відомий учений (Бертран Рассел) читав публічну лекцію про астрономію. Він розповідав, як Земля обертається навколо Сонця, а
Сонце, у свою чергу, обертається навколо центру величезного скупчення зірок, яке називають нашої Галактикою. Коли лекція підійшла до кінця, з останніх рядів залу піднялася маленька літня леді і сказала: "Все, що ви нам говорили, - нісенітниця. Насправді наш світ - це плоска тарілка, яка стоїть на спині гігантської черепахи". Поблажливо посміхнувшись, вчений запитав: "А на чому тримається черепаха?" - "Ви дуже розумні, молода людина, - відповіла стара леді. - Черепаха - на інший черепахи, та - теж на черепасі, і так все нижче і нижче".

Таке уявлення про Всесвіт як про нескінченну вежі з черепах більшості з нас видасться смішним, але чому ми думаємо, що самі знаємо краще? Що нам відомо про Всесвіт, і як ми це дізналися?
Звідки взялася Всесвіт, і що з нею станеться? Чи було у Всесвіту початок, а якщо було, то що відбувалося до початку? Яка сутність часу? Кінчиться Чи воно коли-небудь? Досягнення фізики останніх років, якими ми частково зобов'язані фантастичною нової техніки, дозволяють нарешті отримати відповіді хоча б на окремі з таких давно поставлених питань. Пройде час, і ці відповіді, можливо, стануть настільки ж очевидними, як-то, що Земля обертається навколо Сонця, а може бути, настільки ж безглуздо, як башта із черепах. Тільки час (чим би воно не було) вирішить це.

Ще в 340 р. до н. е.. грецький філософ Арістотель у своїй книзі
"Про небо" навів два вагомих доводи на користь того, що Земля не плоска тарілка, а цілий шар. По-перше, Аристотель здогадався, що місячні затемнення відбуваються тоді, коли Земля опиняється між Місяцем і Сонцем.
Земля завжди відкидає на Місяць круглу тінь, а це може бути лише в тому випадку, якщо Земля має форму кулі. Будь Земля плоским диском, її тінь мала б форму витягнутого еліпса, якщо тільки затемнення не відбувається завжди саме в той момент, коли Сонце знаходиться точно на осі диска. По-друге, з досвіду своїх подорожей греки знали, що в південних районах
Полярна зірка на небі розташовується нижче, ніж у північних. (Оскільки
Полярна зірка знаходиться над Північним полюсом, вона буде прямо над головою спостерігача, що стоїть на Північному полюсі, а людині на екваторі здасться, що вона на лінії горизонту). Знаючи різницю в уявній положенні
Полярної зірки в Єгипті та Греції, Аристотель зумів навіть вирахувати, що довжина екватора дорівнює 400 000 стадій. Що таке стадій, точно невідомо, але він близький до 200 метрів, і, отже, оцінка Аристотеля приблизно в 2 рази більше значення, прийнятого зараз. У греків був ще й третій аргумент на користь кулястої форми Землі: якщо Земля не кругла, то чому ж ми спочатку бачимо вітрила корабля, що піднімаються над горизонтом, і тільки потім сам корабель?

Аристотель думав, що Земля обертається , а Сонце, Місяць, планети і зірки обертаються навколо неї по кругових орбітах. Він так думав, бо у відповідності зі своїми містичними поглядами Землю вважав центром
Всесвіту, а круговий рух - самим досконалим. Птолемей в II столітті розвинув ідею Аристотеля на повну космологічних моделях. Земля стоїть в центрі, оточена вісьмома сферами, що несуть на собі Місяць, Сонце і п'ять відомих тоді планет: Меркурій, Венеру, Марс, Юпітер і Сатурн (мал.
1.1). Самі планети, вважав Птолемей, рухаються за меншими колам, скріплених з відповідними сферами. Це пояснювало той досить складний шлях, який, як ми бачимо, здійснюють планети. На самій останній сфері розташовуються нерухомі зірки, які, залишаючись в одному і тому ж положенні один щодо одного, рухаються по небу всі разом як єдине ціле. Що лежить за останній сферою, не пояснювалося, але у всякому випадку це вже не було частиною тієї Всесвіту, який спостерігає людство.

Модель Птолемея дозволяла непогано передбачати положення небесних тіл на небосхилі, але для точного пророкування йому довелося прийняти, що траєкторія Місяця в одних місцях підходить до Землі в 2 рази ближче, ніж в інших! Це означає, що в одному положенні Місяць повинна здаватися в 2 рази більшою, ніж в іншому! Птолемей знав про це недолік, але тим не менше його теорія була визнана, хоч і не скрізь. Християнська
Церква прийняла Птолемеєва модель Всесвіту як не суперечить Біблії, бо ця модель була дуже хороша тим, що залишала за межами сфери нерухомих зірок багато місця для пекла і раю. Однак в 1514 р. польський священик Микола Коперник запропонував ще більш просту модель. (Спочатку, побоюючись, мабуть, того, що Церква визнає його єретиком, Коперник пропагував свою модель анонімно). Його ідея полягала в тому, що Сонце стоїть нерухомо в центрі, а Земля й інші планети обертаються навколо нього по кругових орбітах. Минуло майже століття, перш ніж ідею Коперника сприйняли серйозно. Два астронома - німець Іоганн Кеплер та італієць
Галілео Галілей - публічно виступили на підтримку теорії Коперника, незважаючи на те що передбачені Коперником орбіти не зовсім збігалися з спостерігаються. Теорії Аристотеля-Птолемея прийшов кінець в 1609 р., коли
Галілей почав спостерігати нічне тенія, згідно з яким будь-яке тіло у
Всесвіту притягається до будь-якого іншого тіла з тим більшою силою, чим більше маси цих тіл і чим менше відстань між ними. Це та сама сила, яка змушує тіла падати на землю. (Розповідь про те, що Ньютона надихнуло яблуко, що впало йому на голову, майже напевно недостоверен.
Сам Ньютон сказав про це лише те, що думка про тяжіння прийшла, коли він сидів в "споглядальному настрої", і "приводом було падіння яблука ").
Далі Ньютон показав, що, згідно з її законодавством, Місяць під дією гравітаційних сил рухається по еліптичній орбіті навколо Землі, а Земля і планети обертаються по еліптичних орбітах навколо Сонця.

Модель Коперника допомогла позбавитися від Птолемеєва небесних сфер, а заодно і від уявлення про те, що Всесвіт має якусь природну кордон. Оскільки "нерухомі зірки" не змінюють свого положення на небі, якщо не вважати їх кругового руху, пов'язаного з обертанням Землі навколо своєї осі, природно було припустити, що нерухомі зірки - це об'єкти, подібні до нашого Сонця, тільки набагато більш віддалені.

Ньютон розумів, що по його теорії тяжіння зірки повинні притягатися один до одного і тому, здавалося б, не можуть залишатися зовсім нерухомими. Не повинні вони впасти один на одного, наблизившись в якійсь точці? У 1691 р. у листі до Ричарда Бентли, ще одному видатному мислителю того часу, Ньютон говорив, що так дійсно мало б статися, якби у нас було лише кінцеве число зірок в кінцевій області простору. Але, міркував Ньютон, якщо число зірок нескінченно і вони більш-менш рівномірно розподілені по нескінченного простору, то цього ніколи не відбудеться, тому що немає центральної точки, куди їм потрібно було б падати.

Ці міркування - приклад того, як легко потрапити в халепу, ведучи розмови про нескінченність. У нескінченного Всесвіту будь-яку точку можна вважати центром, тому що по обидві сторони від неї число зірок нескінченно.
Лише набагато пізніше зрозуміли, що більш правильний підхід - взяти кінцеву систему, в якій всі зірки падають один на одного, прагнучи до центру, і подивитися, які будуть зміни, якщо додавати ще й ще зірок, розподілених приблизно рівномірно поза розглянутій області. За законом Ньютона додаткові зірки в середньому ніяк не вплинуть на первинні, тобто зірки будуть з тією ж швидкістю падати в центр виділеної області. Скільки б зірок ми не додали, вони завжди будуть прагнути до центру. У наш час відомо, що нескінченна статична модель Всесвіту неможлива, якщо гравітаційні сили завжди залишаються силами взаємного тяжіння.

Цікаво, яким було загальний стан наукової думки до початку XX ст.: Нікому і в голову не прийшло, що Всесвіт може розширюватися або стискуватися. Всі вважали, що Всесвіт коли існувала завжди в незмінному стані, або була створена в якийсь момент часу в минулому приблизно такою, якою вона є зараз. Частково це, можливо, пояснюється схильністю людей вірити у вічні істини, а також особливою привабливістю тієї думки, що, хай самі вони постаріють і помруть,
Всесвіт залишиться вічною і незмінною.

Навіть тим вченим, які зрозуміли, що ньютонівська теорія тяжіння робить неможливою статичну Всесвіт, не приходила в голову гіпотеза розширюється Всесвіту. Вони спробували модифіковані теорію, зробивши гравітаційну силу відштовхуючою на дуже великих відстанях. Це практично не змінювало пророкує руху планет, але зате дозволяло безкінечного розподілу зірок залишатися в рівновазі, тому що тяжіння близьких зірок компенсувалося відвернути від далеких. Але зараз ми вважаємо, що таке рівновага виявилося б нестійким. Справді, якщо в якійсь області зірки трохи зблизяться, то сили тяжіння між ними зростуть і стануть більше сил відштовхування, так що зірки будуть і далі зближуватися. Якщо ж відстань між зірками трохи збільшиться, то переважать сили відштовхування і відстань буде наростати.

Ще одне заперечення проти моделі нескінченної статичної
Всесвіту зазвичай приписується німецькому філософу Генріху Олберсу, який у 1823 р. опублікував роботу, присвячену цій моделі. Насправді багато сучасники Ньютона займалися тим же завданням, і стаття Олберса була навіть не першим серед робіт, в яких висловлювалися серйозні заперечення. Її лише перший стали широко цитувати. Заперечення таке: в нескінченній статичної Всесвіту будь-який промінь зору повинен опиратися в яку-небудь зірку. Але тоді небо навіть вночі має яскраво світитися, як
Сонце. Контраргумент Олберса полягав у тому, що світло, що йде до нас від далеких зірок, повинен послаблятися через поглинання в що знаходиться на його шляху речовині.

Але в такому випадку саме це речовина повинна нагрітися і яскраво світитися, як зірки. Єдина можливість уникнути висновку про яскраво, як Сонце, світному нічному небі - припустити, що зірки сяяли не завжди, а зайнялися в якийсь певний момент часу в минулому.
Тоді поглинає речовина, можливо, ще не встигло розігрітися або ж світло далеких зірок ще не дійшов до нас. Але виникає питання: чому запалилися зірки?

Звичайно, проблема виникнення Всесвіту займала розуми людей уже дуже давно. Згідно з ряду ранніх космогонії і іудейсько-християнсько-мусульманським міфам, наша Всесвіт виник у якийсь певний і не дуже віддалений момент часу в минулому. Однією з підстав таких вірувань була потреба знайти "першопричину" існування Всесвіту.
Будь-яка подія у Всесвіті пояснюють, вказуючи його причину, тобто інша подія, що відбулася раніше; подібне пояснення існування самої
Всесвіту можливо лише в тому випадку , якщо в неї був початок. Інша підстава висунув Блаженний Августин (православна Церква вважає
Августина блаженним, а Католицька - святим. - Прим. Ред.). в книзі "Град
Божий". Він вказав на те, що цивілізація прогресує, а ми пам'ятаємо, хто зробив те чи інше діяння і хто що винайшов. Тому людство, а значить, ймовірно, і Всесвіт, навряд чи дуже довго існують. Блаженний
Августин вважав прийнятною дату створення Всесвіту, відповідну книзі "Буття": приблизно 5000 рік до нашої ери. (Цікаво, що ця дата не так вже далека від кінця останнього льодовикового періоду - 10 000 років до н. Е.., Який археологи вважають початком цивілізації).

Арістотелем ж і більшості інших грецьких філософів не подобалася ідея створення Всесвіту, так як вона пов'язувалася з божественним втручанням. Тому вони вважали, що люди і навколишній їхній світ існували і будуть існувати вічно. Аргумент щодо прогресу цивілізації природознавства стало розглядали і вирішили, що у світі періодично відбувалися потопи та інші катаклізми, які весь час повертали людство до вихідної точки цивілізації.

Питання про те, виникла чи Всесвіт у якийсь початковий момент часу і обмежена вона в просторі, пізніше дуже пильно розглядав філософ Іммануїл Кант у своєму монументальному (і дуже темному) працю "Критика чистого розуму", який був виданий в 1781 р. Він назвав ці питання антиноміями (тобто протиріччя) чистого розуму, бо бачив, що в рівній мірі не можна ні довести, ні спростувати ні тезу про необхідність початку Всесвіту, ні антитеза про її вічне існування.
Теза Кант аргументував тим, що якби у Всесвіті не було початку, те кожен події передував би нескінченний період часу, а це Кант вважав абсурдом. На підтримку антитези Кант говорив, що якби
Всесвіт мав початок, то йому передував би нескінченний період часу, а тоді виникає запитання: чому Всесвіт раптом виникла в той, а не інший момент часу? Насправді аргументи Канта фактично однакові і для тези, і для антитези. Він виходить з мовчазного припущення, що час нескінченно в минулому незалежно від того, існувала або не існувала вічно Всесвіт. Як ми побачимо нижче, до воза?? ікновенія
Всесвіту поняття часу немає сенсу.

Коли більшість людей вірило в статичну і незмінну
Всесвіт, питання про те, мала вона початок чи ні, ставився, по суті, до області метафізики і теології. Всі спостережувані явища можна було пояснити як за допомогою теорії, в якій Всесвіт існує вічно, так і за допомогою теорії, згідно з якою Всесвіт накоїли в якийсь певний момент часу таким чином, щоб все виглядало, як якщо б вона існувала вічно. Але в 1929 р. Едвін Хаббл зробив епохальне відкриття: виявилося, що в якій би частині неба ні вести спостереження, всі далекі галактики швидко віддаляються від нас. Іншими словами, Всесвіт розширюється. Це означає, що в більш ранні часи всі об'єкти були ближче один до одного, ніж зараз. Значить, було, мабуть, час, близько десяти або двадцяти тисяч мільйонів років тому, коли вони всі перебували в одному місці, так що щільність Всесвіту була нескінченно великою.
Зроблене Хабблом відкриття перевело питання про те, як виник Всесвіт, в область компетенції науки.

Спостереження Хаббла говорили про те, що був час - так званий великий вибух, коли Всесвіт був нескінченно малої і нескінченно щільною.
За таких умов всі закони науки втрачають сенс і не дозволяють передбачати майбутнє. Якщо у ще більш ранні часи і відбувалися які-небудь події, вони все одно ніяк не змогли б вплинути на те, що відбувається зараз. Через відсутність ж спостережуваних наслідків ними можна просто знехтувати. Великий вибух можна вважати початком відліку часу в тому сенсі, що більш ранні часи були б просто не визначені.
Підкреслимо, що такий початок відліку часу дуже сильно відрізняється від усього того, що пропонувалося до Хаббла. Початок часу в незмінній
Всесвіті є те, що треба визначатися чимось, які існують поза
Всесвіту; для початку Всесвіту немає фізичної необхідності. Створено
Богом Всесвіту можна у своєму поданні відносити до будь-якого моменту часу в минулому. Якщо ж Всесвіт розширюється, то можуть існувати фізичні причини для того, щоб вона мала початок. Можна як і раніше уявляти собі, що саме Бог створив Всесвіт - у момент великого вибуху або навіть пізніше (але так, як якби стався великий вибух).
Однак було б абсурдно стверджувати, що Всесвіт виник раніше великого вибуху. Уявлення про розширюється Всесвіту не виключає творця, але накладає обмеження на можливу дату його праць!

Оскільки вже існуючих приватних теорій цілком достатньо, щоб робити точні передбачення в усіх ситуаціях, окрім самих екстремальних, пошук остаточної теорії Всесвіту не відповідає вимогам практичної доцільності. (Зауважимо, однак, що аналогічні заперечення можна було б висунути проти теорії відносності та квантової механіки, але ж саме ці теорії зробили революцію в ядерній фізиці і в мікроелектроніці!) Таким чином, відкриття повної єдиної теорії, може Можливо, не буде сприяти виживанню і навіть ніяк не вплине на перебіг нашого життя. Але вже на зорі цивілізації людям не подобалися незрозумілі і не пов'язані між собою події, і вони пристрасно бажали зрозуміти той порядок, який лежить в основі нашого світу. До цього дня ми мріємо дізнатися, чому ми тут опинилися і звідки взялися. Прагнення людства до знання є для нас достатнім виправданням, щоб продовжувати пошук. А наша кінцева мета - ніяк не менше, ніж повний опис Всесвіту, в якій ми живемо.

1.2 розширюється Всесвіт

Якщо в ясну безмісячну ніч подивитися на небо, то, швидше за все, найбільш яскравими об'єктами, які ви побачите, будуть планети Венера, Марс,
Юпітер і Сатурн. Крім того, ви побачите величезну кількість зірок, схожих на наше Сонце, але знаходяться набагато далі від нас. При обертанні Землі навколо Сонця деякі з цих "нерухомих" зірок трохи змінюють своє положення відносно один одного, тобто насправді вони зовсім не нерухомі! Справа в тому, що вони трохи ближче до нас, ніж інші.
Оскільки ж Земля обертається навколо Сонця, близькі зірки видно весь час в різних точках фону більш віддалених зірок. Завдяки цьому можна безпосередньо виміряти відстань від нас до цих зірок: чим вони ближче, тим сильніше помітно їх переміщення. Найближча зірка, яка називається
Проксіма Центавра, знаходиться від нас на відстані приблизно чотирьох світлових років (тобто світло від неї йде до Землі близько чотирьох років), або близько 37 мільйонів кілометрів. Більшість зірок, видимих неозброєним оком, віддалені від нас на кілька сотень світлових років. Порівняйте це з відстанню до нашого Сонця, що складають всього вісім світлових хвилин!
Видимі зірки розсипані але всьому нічному небі, але особливо густо в тій смузі, яку ми називаємо Чумацьким Шляхом. Ще в 1750 р. деякі астрономи висловлювали думку, що існування Молочного Шляху пояснюється тим, що більша частина видимих зірок утворює одну дископодібні конфігурацію - приклад того, що зараз називається спіральної галактикою.
Лише через кілька десятиліть астроном Вільям Гершель підтвердив це припущення, виконавши колосальну роботу але складанню каталога положень величезної кількості зірок і відстаней до них. Але навіть після цього уявлення про спіральних галактиках було прийнято усіма лише на початку нашого століття.

Сучасна картина Всесвіту виникла тільки в 1924 р., коли американський астроном Едвін Хаббл показав, що наша Галактика не єдина. Насправді існує багато інших галактик, розділених величезними областями порожнього простору. Для доказу Хабблу було потрібно визначити відстані до цих галактик, які настільки великі, що, на відміну від положень близьких зірок, видимі положення галактик дійсно не змінюються. Тому для вимірювання відстаней Хаббл був змушений вдатися до непрямих методів. Видима яскравість зірки залежить від двох факторів: від того, яка кількість світла випромінює зірка
(се світності), і від того, гдe вона знаходиться. Яскравість близьких зірок і відстань до них ми можемо виміряти; отже, ми можемо обчислити і їх світність. І навпаки, знаючи світність зірок в інших галактиках, ми могли б вирахувати відстань до них, вимірявши їх видиму яскравість. Хаббл зауважив, що світність деяких типів зірок завжди одна й та сама, коли вони знаходяться достатньо близько для того, щоб можна було проводити вимірювання. Отже, міркував Хаббл, якщо такі зірки виявляться в іншій галактиці, то, припустивши у них таку ж світність, ми зуміємо обчислити відстань до цієї галактики. Якщо подібні розрахунки для декількох зірок однієї і тієї ж галактики дадуть один і той же результат, то отриману оцінку відстані можна вважати надійною.

Таким шляхом Хаббл розрахував відстані до дев'яти різних галактик.
Тепер відомо, що наша Галактика - одна з декількох сотень тисяч мільйонів галактик, які можна спостерігати в сучасні телескопи, а кожна з цих галактик у свою чергу містить сотні тисяч мільйонів зірок. На рис. 3.1 показано, який побачив би нашу Галактику спостерігач, який живе в якій-небудь іншій галактиці. Наша Галактика має близько ста тисяч світлових років у поперечнику. Вона повільно обертається, а зірки в її спіральних рукавах кожні кілька сотень мільйонів років роблять приблизно один оборот навколо її центру. Наше Сонце являє собою звичайну жовту зірку середньої величини, розташовану на внутрішній стороні одного з спіральних рукавів. Який же величезний шлях ми пройшли від Аристотеля і
Птолемея, коли Земля вважалася центром Всесвіту!

в її атмосфері.

У 20-х роках, коли астрономи почали дослідження спектрів зірок інших галактик, виявилося щось ще більш дивне: у нашій власній Галактиці виявилися ті ж самі характерні набори відсутніх квітів, що й у зірок, але всі вони були зміщені на одну і ту ж величину до червоного кінця спектра. Щоб зрозуміти сенс сказаного, слід спочатку розібратися з ефектом Доплера. Як ми вже знаємо, видиме світло - це коливання, або хвилі електромагнітного поля. Частота (число хвиль в одну секунду) світлових коливань надзвичайно висока - від чотирьохсот до семисот мільйонів хвиль в секунду. Людське око сприймає світло різних частот як різні кольори, причому самі низькі частоти відповідають червоного кінця спектра, а найвищі - фіолетовому. Уявімо собі джерело світла, розташований на фіксованій відстані від нас
(наприклад, зірку), що випромінює з постійною частотою світлові хвилі.
Очевидно, що частота приходять хвиль буде такою ж, як та, з якою вони випромінюються (нехай гравітаційне полі галактики невелике і його вплив несуттєво). Припустимо тепер, що джерело починає рухатися в наш бік. При випусканні наступної хвилі джерело виявиться ближче до нас, а тому час, за який гребінь цієї хвилі до нас дійде, буде менше, ніж у випадку нерухомої зірки. Отже, час між гребенями двох прийшли хвиль буде менше, а число хвиль, що приймаються нами за одну секунду (тобто частота), буде більше, ніж коли зірка була нерухома.
При видаленні ж джерела частота приходять хвиль буде менше . Це означає, що спектри віддаляються зірок будуть зміщені до червоного кінця
(червоний зсув), а спектри наближаються зірок повинні відчувати фіолетове зсув. Таке співвідношення між швидкістю і частотою називається ефектом Доплера, і цей ефект звичайний навіть в нашому повсякденному житті. Прислухайтеся до того, як іде по шосе машина: коли вона наближається, звук двигуна вище (тобто вище частота що випускаються ним звукових хвиль), а коли, проїхавши повз, машина починає віддалятися, звук стає нижче. Світлові хвилі і радіохвилі ведуть себе аналогічним чином. Ефектом Доплера користується поліція, визначаючи здалеку швидкість руху автомашин за частотою радіосигналів, що відбиваються від них. Довівши, що існують інші галактики, Хаббл всі наступні роки присвятив складання каталогів відстаней до цих галактик і спостереження їх спектрів. У той час більшість вчених вважали, що рух галактик відбувається випадковим чином і тому спектрів, зміщених в червону сторону, повинно спостерігатися стільки ж, скільки і зміщених в фіолетове.
Яким же було здивування, коли у більшої частини галактик виявилося червоне зміщення спектрів , тобто виявилося, що майже всі галактики віддаляються від нас! Ще більш дивним було відкриття, опубліковане
Хабблом в 1929 р.: Хаббл виявив, що навіть величина червоного зсуву не випадкова, а прямо пропорційна відстані від нас до галактики. Іншими словами, чим далі перебуває галактика, тим швидше вона видаляється! А це означало, що Всесвіт не може бути статичним, як думали раніше, що насправді вона безперервно розширюється і відстані між галактиками весь час зростають.

Відкриття розширюється Всесвіту був одним з великих інтелектуальних переворотів двадцятого століття. Заднім числом ми можемо лише дивуватися тому, що ця ідея не прийшла нікому в голову раніше. Ньютон та інші вчені повинні були б зрозуміти, що статична Всесвіт незабаром обов'язково почала б стискатися під дією гравітації. Але припустимо, що Всесвіт, навпаки, розширюється. Якби розширення відбувалося досить повільно, то під дією гравітаційної сили вона в кінці кінців припинилося б і перейшло до стиснення. Однак якщо б швидкість розширення перевищувала деяке критичне значення, то гравітаційної взаємодії не вистачило б, щоб зупинити розширення, і воно тривало б вічно. Усе це трохи нагадує ситуацію, яка виникає, коли з поверхні Землі запускають вгору ракету. Якщо швидкість ракети не дуже велика, то через гравітації вона врешті-решт зупиниться і почне падати назад. Якщо ж швидкість ракети більше деякої критичної
(близько одинадцяти кілометрів на секунду), то гравітаційна сила не зможе її повернути, і ракета буде вічно продовжувати свій рух від Землі.
Розширення Всесвіту могло бути передбачене на основі ньютонівської теорії тяжіння в XIX, XVIII і навіть у кінці XVII століття. Однак віра в статичну
Всесвіт була настільки велика, що жила в умах ще на початку нашого століття.
Навіть Ейнштейн, розробляючи в 1915 р. загальну теорію відносності, був упевнений у статичності Всесвіту. Щоб не вступати в протиріччя зі статичністю, Ейнштейн модифікував свою теорію, ввівши в рівняння так звану Космологічна стала. Він запровадив нову "антигравітаційних" силу, яка на відміну від інших сил не породжувати будь-яким джерелом, а була закладена в саму структуру простору-часу.
Ейнштейн стверджував, що простір-час саме по собі завжди розширюється і цим розширенням точно врівноважується тяжіння всієї іншої матерії у Всесвіті, так що в результаті Всесвіт виявляється статичної. Мабуть, лише одна людина повністю повірив у загальну теорію відносності: поки що Ейнштейн та інші фізики думали над тим, як обійти не статичність Всесвіту, пророкує цією теорією, російський фізик і математик О. О. Фрідман, навпаки, зайнявся її поясненням.

Фрідман зробив дві дуже простих вихідних припущення: по-перше, Всесвіт виглядає однаково, в якому б напрямку ми її не спостерігали, і по-друге, це твердження має залишатися справедливим і в тому випадку, якщо б ми виробляли спостереження з якого-небудь іншого місця. Не вдаючись ні до яких інших припущеннями, Фрідман показав, що
Всесвіт не повинна бути статичною. У 1922 р., за кілька років до відкриття Хаббла, Фрідман в точності передбачив його результат!

Припущення про однаковості Всесвіту в усіх напрямках насправді, звичайно, не виконується. Як ми, наприклад, вже знаємо, інші зірки в нашій Галактиці утворюють чітко виділяється світлу смугу, яка йде по всьому небу вночі - Чумацький Шлях. Нo якщо говорити про далекі галактики, то їх кількість в усіх напрямках приблизно однаково.
Отже, Всесвіт дійсно "приблизно" однакова у всіх напрямках - при спостереженні в масштабі, великому в порівнянні з відстанню між галактиками, коли відкидаються дрібномасштабні відмінності.

Правда, на перший погляд, той факт, що Всесвіт здається нам однаковою в усіх напрямках, може говорити про яку-то виділення нашого місця розташування у Всесвіті. Зокрема, раз ми бачимо, що всі інші галактики віддаляються від нас, значить, ми знаходимося в центрі
Всесвіту. Але є й інше пояснення: Всесвіт буде виглядати однаково у всіх напрямках і в тому випадку, якщо дивитися на неї з якої-небудь іншої галактики. Це, як ми знаємо, друга гіпотеза
Фрідмана. У нас немає наукових аргументів ні за, ні проти цього припущення, і ми прийняли його, так би мовити, зі скромності: було б дуже дивно, якщо б Всесвіт здавалася однаковою в усіх напрямках тільки навколо нас, а в інших її точках цього не було! У моделі Фрідмана всі галактики віддаляються один від одного. Це начебто як надута кулька, на який нанесені точки, якщо його все більше надувати. Відстань між будь-якими двома точками збільшується, але жодну з них не можна назвати центром розширення. При тому чим більше відстань між точками, тим швидше вони віддаляються один від одного. Але і в моделі Фрідмана швидкість, з якою будь-які дві галактики віддаляються один від одного, пропорційна відстані між ними. Таким чином, модель Фрідмана пророкує, що червоне змішання галактики повинно бути прямо пропорційно її віддаленості від нас, у точній відповідності з відкриттям Хаббла. Незважаючи на успіх цієї моделі і на згоду її прогнозів зі спостереженнями Хаббла, робота Фрідмана залишалася невідомою на Заході, і лише в 1935 р. американський фізик Говард
Робертсон і англійський математик Артур Уолкер запропонували схожі моделі у зв'язку з відкриттям Хаббла.

Сам Фрідман розглядав тільки одну модель, але можна вказати три різні моделі, для яких виконуються обидва фундаментальних припущення
Фрідмана. У моделі першого типу (відкритої самим Фрідманом) Всесвіт розширюється досить повільно для того, щоб в силу гравітаційного притягання між різними галактиками розширення Всесвіту сповільнювалося і врешті-решт припинялося. Після цього галактики починають наближатися один до одного, і Всесвіт починає стискуватися. На рис. 3.2 показано, як змінюється з часом відстань між двома сусідніми галактиками. Воно зростає від нуля доякогось максимуму, а потім знову падає до нуля. У моделі другого типу розширення Всесвіту відбувається так швидко, що гравітаційне тяжіння хоч і сповільнює розширення, не може його зупинити. На рис. 3.3 показано, як змінюється в цій моделі відстань між галактиками. Крива виходить з нуля, а в кінці кінців галактики віддаляються один від одного з постійною скоростио. Є, нарешті, і модель третього типу, в якій швидкість розширення Всесвіту тільки-тільки достатня для того, щоб уникнути стиску до нуля (колапсу). У цьому випадку відстань між галактиками теж спочатку дорівнює нулю (рис. 3.4), а потім весь час зростає. Правда, галактики "розбігаються" все з меншою і меншою швидкістю, але вона ніколи не падає до нуля.

Модель Фрідмана першого типу дивовижна тим, що в ній Всесвіт не нескінченна в просторі, хоча простір не має меж. Гравітація настільки сильна, що простір, стежки, замикається з самим собою, уподібнюючись земної поверхні. Адже, переміщаючись в певному напрямку по поверхні Землі, ви ніколи не натрапите на абсолютно непереборну перешкоду, не вивалити через край і врешті-решт повернетеся в ту ж саму точку, звідки вийшли. У першій моделі Фрідмана простір таке ж, але тільки замість двох вимірювань, поверхня Землі має три вимірювання. Четвертий вимір, час, теж має кінцеву протяжність, але воно подібно відрізку прямої, що має початок і кінець. Потім ми побачимо, що якщо загальну теорію відносності об'єднати з квантово-механічним принципом невизначеності, то виявиться, що і простір, і час можуть бути кінцевими, не маючи при цьому ні краю, ні кордонів.

Думка про те, що можна обійти навколо Всесвіту і повернутися в той же місце, годиться для наукової фантастики, але не має практичного значення, Бо як можна показати, Всесвіт встигне стиснутися до нуля до закінчення обходу. Щоб повернутися в початкову точку до настання кінця Всесвіту, довелося б пересуватися зі швидкістю, що перевищує швидкість світла, а це неможливо!

У першій моделі Фрідмана (в якій Всесвіт розширюється і стискується) простір викривляється, замикаючись, саме на себе, як поверхню Землі. Тому розміри його кінцеві. У другому ж моделі, в якої Всесвіт розширюється нескінченно, простір викривлений інакше, як поверхню сідла. Таким чином, у другому випадку простір нескінченно. Нарешті, у третьому моделі Фрідмана (з критичною швидкістю розширення) простір плоске (і, отже, теж нескінченне). Але яка ж з моделей Фрідмана годиться для нашого Всесвіту? Перестане чи
Всесвіт, нарешті розширюватися і почне стискатися або ж буде розширюватися вічно? Щоб відповісти на це запитання, потрібно знати нинішню швидкість розширення Всесвіту і її середню щільність. Якщо щільність менше деякого критичного значення, що залежить від швидкості розширення, то гравітаційне тяжіння буде занадто мало, щоб зупинити розширення.
Якщо ж щільність більше критичної,