2. Некоторые замечания о терминологии

Едва ли в какой-либо еще науке существует большая путаница в терминологии, чем в космологии. Вероятно, что не случайно. Определение понятия — операция подведения его под более широкое понятие. А что мо­жет быть шире понятия «Вселенная»? Именно поэтому авторы серьезных монографий и популярных статей вкладывают в это понятие свое содержание, как пра­вило, не давая себе труда пояснить его. Для дальней­шего попытка определения (или по крайней мере пояс­нения) основных понятий необходима.

Обычно под понятием «Вселенная» подразумева­ют все сущее, но часто вкладывают и, другое содержа­ние: Вселенная — это область, наблюдаемая нашими приборами. Размеры этой области приблизительно рав­ны 10²⁸ см. Но здесь неизбежен вопрос. Почему то, что мы, наблюдаем, и есть все сущее? Не является ли подобное отождествление отражением атавистического инстинкта, который был свойствен человеку, впервые задавшему себе вопрос о природе его «мира»? Для пер­вобытного человека этот мир отождествляется с об­ластью его проживания. Затем, уже после возникнове­ния зачатков цивилизации, под Вселенной понималась Солнечная система, окруженная хрустальной сферой с находящимися на ней звездами.

Лишь после создания Галилеем телескопа удалось показать, что сфера — лишь красивая фантазия и рас­стояния до звезд вовсе не одинаковы.

Только в начале этого столетия астрономы пришли к заключению о существовании гигантских островов звезд — галактик.

И наконец, сравнительно недавно поняли, что га­лактики не самые большие объекты. Существуют скоп­ления галактик (радиус 10 ²⁴ — 10 ²⁶ см), которые рас­полагаются в области с размерами ~ 10 ²⁸ см. Соответ­ствующий объем иногда (а астрономы обычно) называют Метагалактикой.

Из этого краткого исторического экскурса следует, что «все сущее» для человека обычно отражает уровень ого знаний (или заблуждений), и поэтому тождество: Вееленная=всему сущему=наблюдаемому миру абсо­лютно не обосновано. Поэтому необходимо далее условиться о терминологии. Мы будем называть наблюдае­мую приборами область Метагалактикой. Под Вселенной мы будем понимать «все сущее» или, более конк­ретно, все, что можно представить себе на основе современных теоретических воззрений. Очевидно, что такая «теоретическая Вселенная» отнюдь не должна совпадать с наблюдаемым объемом. «Все сущее» отра­жает уровень наших знаний о природе; мы будем вклю­чать в это понятие не только наблюдаемую область пространства, но и все, что можно окинуть мысленным взором.

В дальнейшем мы приведем аргументы в пользу того, что такая Вселенная существенно превышает размеры Метагалактики, но, вероятно, и она — лишь отражение уровня наших знаний.

Отметим также, что модель Фридмана описывает не Вселенную в целом, а эволюцию Метагалактики. Мы будем использовать ее только для этой цели.

3. Эволюция Метагалактики как отражение ее геометрии

Как известно, любая математическая формулировка физической задачи содержит, кроме уравнений, описы­вающих эволюцию состояния во времени, также и постулирование начальных и граничных условий. Фи­зическая космология — наука об эволюции Метагалак­тики — не является исключением. Кроме использования уравнений ОТО, следует сформулировать начальные и граничные условия.

В наиболее четкой форме впервые подобная опера­ция была сделана Фридманом, который предположил, что Метагалактика, всегда была изотропной и однород­ной. Иначе говоря, в любой момент своей эволюции в Метагалактике все направления равноправны (изо­тропия), а плотность материи одинакова. Прообразом такой Метагалактики является двумерная сфера, плот­ность вещества которой постоянна для любого момен­та времени. Здесь полезно отметить, что условия Фрид­мана неравноправны для пространства и времени.

В приведенном выше примере плотность вещества постоянна в пространстве (вдоль поверхности сферы), но не во времени. С течением времени вследствие расширения или сжатия плотность вещества изме­няется.

Граничные и начальные условия в форме, предло­женной Фридманом, получили в дальнейшем название основных космологических постулатов.

Космологические постулаты, выдвинутые вначале из соображений простоты и критериев эстетики (симмет­рия), впоследствии неоднократно подвергались опыт­ной проверке. Изложим кратко результаты этих про­верок.

Изотропия Метагалактики прекрасно подтвержда­ется в процессе исследования углового распределения реликтового излучения. Оно заполняет всю Метага­лактику и поэтому может служить критерием ее сим­метрии. С высокой степенью точности никаких откло­нений от изотропии Метагалактики до сих пор (на ко­нец 1986 г.) обнаружено не было.

Хуже обстоит дело с постулатом однородности. Из­вестно, что Метагалактика неоднородна. Существуют острова высокой концентрации вещества: звезды, га­лактики, скопления галактик. Однако наибольшие масштабы таких островов в 10²—10³ раз меньше размеров Метагалактики. Поэтому с такой точностью (10-» —10“²) можно полагать Метагалактику однород­ной. Мы вместе с другими космологами примем этот постулат однородности.

Основные космологические постулаты, на которых базировался Фридман, в высшей степени нетривиаль­ны. Прежде всего их нужно согласовать с основным принципом теории относительности — принципом при­чинности, о чем речь пойдет дальше. Здесь нас будет интересовать другой аспект, связанный с космоло­гическими постулатами. Оказывается, космологичес­кие постулаты — настолько сильные предположения, ЧТО из них следуют многие основные черты эволюции Метагалактики. Полезно подчеркнуть, что это утверж­дение вовсе не означает отсутствие сил, обусловливаю­щих эволюцию Метагалактики. Разумеется, такие Силы существуют. Но если допустить справедливость космологических постулатов, то эти силы должны со­ответствовать закону всемирного тяготения или его обобщению — ОТО ²².

Здесь мы не будем рассматривать полную аргумен­тацию этого заключения, а лишь наметим его вывод.

Отметим прежде всего, что космологические посту­латы чрезвычайно сильно сужают выбор геометрии Метагалактики.