Модель Фрідмана
Модель Фрідмана. Два варіанти розвитку Всесвіту
Всесвіт Фрідмана-одна з космологічних моделей,
що задовольняють польовим рівнянням загальної теорії відносності, перша з нестаціонарних моделей Всесвіту. Модель Фрідмана описує однорідний ізотропний Всесвіт з речовиною, що має позитивну, нульову або негативну постійну кривизну.
Нестаціонарність Всесвіту була підтверджена відкриттям залежності червоного усунення галактик від відстані. Незалежно від Фрідмана, описувану модель пізніше розробляли Леметр, Робертсон і Вокер, тому рішення польових рівнянь Ейнштейна, що описує однорідний ізотропний Всесвіт з постійною кривизною, називають моделлю Фрідмана-Леметра-Робертсона-Уокера.
Теорію Великого Вибуху запропонували у 20-х роках нашого століття вчені Фрідман та Леметр, у сорокових роках її доповнив та переробив Гамов. Згідно з цією теорією, колись давним-давно наш Всесвіт являв собою нескінченно малий потік, надщільний і розпечений до немислимих температур. Ця нестабільна освіта раптово вибухнула, простір швидко розширився, а температура частинок, що володіють високою енергією, почала знижуватися. Приблизно після першого мільйона років атоми двох найлегших елементів, водню та гелію стали стабільними. Під впливом сил тяжіння почали концентруватися хмари матерії. В результаті сформувалися галактики, зірки та інші небесні тіла. Зірки старіли, вибухали наднові, після чого з'являлися важчі елементи. Вони формували зірки пізнішого покоління, такі, як наше Сонце.
У 1922 р. радянський математик А. А. Фрідман, аналізуючи рівняння загальної теорії відносності Ейнштейна, дійшов висновку, що Всесвіт не може перебувати встаціонарному стані - вона повинна або розширюватися, або пульсувати. Надалі висновки Фрідмана отримали підтвердження в астрономічних спостереженнях, які виявили у спектрах галактик так зване червоне зміщення спектральних ліній, що відповідає взаємному видаленню цих зіркових систем. [1, с. 44]
(1. Зельдович Я.Б., І.Д. Новіков. Будова та еволюція Всесвіту. М.: Наука, 1989. - 736 с.)
Рівняння загальної теорії відносності, що описують еволюцію Всесвіту, надто складні, щоб вирішити їх у деталях. А тому Фрідман запропонував натомість прийняти два простих припущення: (1) Всесвіт виглядає абсолютно однаково в усіх напрямках; (2) це умова справедливо всім її точок. На основі загальної теорії відносності та цих двох простих припущень Фрідману вдалося показати, що ми не повинні чекати від Всесвіту стаціонарності. Насправді він у 1922 р. точно передбачив те, що Едвін Хаббл відкрив кілька років по тому.
Припущення про те, що Всесвіт виглядає однаковим у всіх напрямках, звичайно ж, не зовсім відповідає реальності. Наприклад, зірки нашої Галактики складають на нічному небі чітко видиму смугу, що світиться, звану Чумацьким Шляхом. Але якщо ми звернемо свій погляд
на далекі галактики, число їх, що спостерігається у різних напрямках, виявиться приблизно однаковим. Так що Всесвіт, схоже, порівняно однорідний у всіх напрямках, якщо розглядати його в космічних масштабах, порівнянних з відстанями між галактиками.
Незважаючи на те, що модель Фрідмана була вдалою і виявилася відповідною результатам спостережень Хаббла, вона тривалий час залишалася майже невідомою на Заході. Про неї дізналися лише після того, як у 1935 р. американський фізик Говард Робертсон та англійський математик АртурУокер розробили подібні моделі для пояснення відкритого Хаббл однорідного розширення Всесвіту.
Хоча Фрідман запропонував лише одну модель, на основі двох його фундаментальних припущень можна побудувати три різні моделі.У першійз них (саме її і сформулював Фрідман) розширення відбувається настільки повільно, що гравітаційне тяжіння між галактиками поступово ще більше уповільнює його, а потім і зупиняє.
Галактики тоді починають рухатися одна до одної, і Всесвіт стискується. Відстань між двома сусідніми галактиками спочатку зростає від нуля до деякого максимуму, а потім знову зменшується до нуля.
У другомурішенні швидкість розширення настільки велика, що тяжіння ніколи не може його зупинити, хоча й дещо сповільнює. Поділ сусідніх галактик у цій моделі починається з нульової відстані, а потім вони розбігаються із постійною швидкістю.
Нарешті, існує третє рішення, в якому швидкість розширення Всесвіту достатня лише для того, щоб запобігти зворотному стиску, або колапс. У цьому випадку поділ починається з нуля і зростає нескінченно. Однак швидкість розльоту постійно зменшується, хоч і ніколи не досягає нуля.
Чудовою особливістю першого типу моделі Фрідмана є те, що Всесвіт не нескінченний у просторі, але простір не має меж. Гравітація в цьому випадку настільки сильна, що простір викривляється, замикаючись сам на себе на зразок поверхні Землі. Мандрівник земною поверхнею в одному напрямку ніколи не зустрічає непереборної перешкоди і не ризикує впасти з «краю Землі», а просто повертається у вихідну точку. Такий простір у першій моделі Фрідмана, але замість властивих земній поверхні двохвимірів воно має три. Четвертий вимір - час - має кінцеву довжину, але його можна уподібнити лінії з двома краями або кордонами, початком і кінцем.