Часто задаваемые вопросы

При изучении космологии расширяющейся Вселенной обычно возникают вопросы, на которые не всегда дают ответы учебники. Попробуем ответить на наиболее распространенные из них.

Другие списки часто задаваемых вопросов по космологии, астрономии и релятивизму:

Вопрос 1. Не следует ли из закона Хаббла, что во Вселенной действует какая-то сила, разгоняющая галактики, из-за чего их скорость увеличивается с расстоянием?

Ответ. Нет, не следует. Правильная трактовка закона Хаббла совершенно иная. Ознакомимся с ней на следующем примере. Представим себе автобус, подошедший к остановке, из которого (примерно одновременно) вышла группа людей. Те люди, которые имели в этот момент большую скорость, спустя какое-то время отойдут на большее расстояние от остановки, чем их менее шустрые коллеги. Таким образом, будет наблюдаться зависимость между скоростью и расстоянием, вполне аналогичная закону Хаббла. Точно такова же ситуация и с разбеганием галактик, с той только разницей, что каждая галактика в силу космологического принципа может считать себя центром расширения. Заметим, впрочем, что наличие космической силы отталкивания не исключено (антигравитация вакуума, о которой шла речь в §4.5), но это никак не связано с законом Хаббла.

Вопрос 2. Куда расширяется Вселенная, если она и так уже бесконечна?

Ответ. Люди, задающие этот вопрос, неявно исходят из представления о бесконечности как о самом большом множестве, больше которого уже ничего не может быть. Они находятся в неплохой компании; так, Джордано Бруно говорил: "Итак, Вселенная едина, бесконечна, неподвижна... Она не может уменьшаться или увеличиваться, так как она бесконечна"... Однако, как выяснили в XIX в. выдающиеся математики Л.Больцано и Г.Кантор, такое определение неправильно. Коренное отличие бесконечного множества от любого конечного заключается как раз в том, что при увеличении конечного множества мы получили бы другое конечное множество, тогда как во сколько бы раз мы не увеличивали бесконечное множество, оно останется бесконечным. Таким образом, с точки зрения теории множеств для теории расширения бесконечной Вселенной нет никаких препятствий.

Сказанное можно пояснить следующим примером. Представим себе плоскость с нарисованными на ней геометрическими фигурами. Ничто не мешает нам представить себе другую плоскость с геометрическими фигурами такими же точно по форме, но только в N раз большего размера и во сколько же раз большего расстояния друг от друга. Иначе говоря, длины между всеми точками на второй плоскости в N раз больше всех длин на первой плоскости. Далее, нетрудно представить себе, что мы получили вторую плоскость с помощью равномерной трансформации (растяжения) первой. При этом каждая точка первой плоскости перейдет в некоторую точку второй плоскости. Это растяжение бесконечных плоскостей есть прямой аналог расширению бесконечной Вселенной.

В ходе такого растяжения любая точка на первой плоскости с равным правом может считать себя центром растяжения. Чтобы на второй плоскости не образовалось никаких морщин или разрывов, необходимо, чтобы точка, отстоящая от условно выбранного центра расширения дальше в N раз, чем какая-то другая точка, должна двигаться быстрее во столько же раз. Но это и есть закон Хаббла!

Заметим, кстати, что бесконечность Вселенной в действительности не следует из космологического принципа - из него следует безграничность Вселенной, а это вовсе не одно и то же!

Вопрос 3. Вселенная - это все, что есть на свете. Pаз она расширяется, то должны увеличиваться не только расстояния между скоплениями галактик, а размеры всего в мире: и атомов, и планет, и людей... Так ли это?

Ответ. Вероятно, в эпоху инфляции (первые 10^-35 секунд существования Вселенной) любой элемент материи был подвержен расширению. Однако постепенно расширение некоторых элементов было подавлено силами, существующими в природе. Так, расширение атомных ядер подавлено внутриядерными силами, расширение атомов - электромагнитными силами, расширение звезд, галактик и их скоплений - силами всемирного тяготения между отдельными частями этих материальных систем. Поэтому в настоящее время увеличиваются только межгалактические расстояния (точнее, расстояния между группами и скоплениями галактик и галактиками поля), а размеры мелкомасштабных систем (планет, крокодилов, звезд, атомов, галактик...) не меняются (а если меняются, то Вселенная здесь ни при чем - на то есть какие-то внутренние причины, и это расширение не подчиняется закону Хаббла).

Если быть совсем точным, то космологическое расширение все-таки оказывает влияние на динамику мелкомасштабных систем, но это влияние очень слабое. Его изучению было посвящено много исследований. Постановка вопроса в этих задачах была такова: имеется расширяющаяся в соответствии с моделями Фридмана Вселенная, в которой находится какой-то мелкомасштабный объект. В согласии с общей теорией относительности, под воздействием массы и энергии тел пространство-время искривляется, что, в свою очередь, приводит к искривлению траекторий тел (по образному выражению известного физика Джона Уилера, "материя говорит пространству, как ему искривляться, а пространство говорит материи, как ей двигаться"). Поскольку космологическое расширение приводит к изменению кривизны пространства-времени везде, в том числе и районе нахождения мелкомасштабного объекта, это неизбежно должно отражаться на траектории тел, составляющих этот объект. Однако плотность вещества внутри этого объекта гораздо больше средней плотности Вселенной, поэтому вклад материи внутри объекта в изменении кривизны пространства-времени значительно превосходит вклад космологического фона. Чтобы не быть голословными, приведем конкретные числа из статьи Cooperstock et al (1998) "Влияние космологического расширения на локальные системы":

Система	Полное ускорение тел внутри этой системы	Вклад космологического расширения в ускорение
Солнце-Земля	6·10-3 м/c2	3·10-47 м/c2
Галактика	2·10-10 м/c2	10-21 м/c2
Скопление галактик	8·10-11 м/c2	6·10-18 м/c2

В другой недавней статье известный космолог Вильям Боннор изучил влияние расширения Вселенной на размер атома водорода. По его оценке, скорость расширения атома, связанная с космологическим расширением, относится к хаббловской скорости как 1 к 10⁶⁷.

Итак, расширение Вселенной оказывает пренебрежимо малое влияние на динамику мелкомасштабных объектов. Можно не беспокоиться: мы с вами не расширяемся!

Вопрос 4. Где, в какой точке пространства был Большой Взрыв?

Ответ. Космологический принцип отвечает однозначно: Большой Взрыв был везде. Для того, чтобы представить себе эту, на первый взгляд, странную ситуацию, обратимся к тому воображаемому фильму о разбегании галактик, о котором говорилось в §2.5. Прокручивая эту пленку назад, мы увидим, что чем ближе к началу фильма, тем меньше расстояния между любой, произвольно выбранной парой галактик. В пределе, т.е. в момент Большого Взрыва, это расстояние обратится в нуль, как бы далеки друг от друга ни были эти галактики сначала. При этом пространство и в момент Большого Взрыва окажется заполненным веществом равномерно. Это рассуждение еще раз показывает, кстати, что расширение Вселенной необходимо мыслить не как движение галактик в пространстве, а как расширение самого пространства с "прикрепленными" к нему галактиками.

Вопрос 5. Если взять резиновую пленку, то для того, чтобы ее искривить, ее нужно прогнуть в направлении, перпендикулярном этой пленке. Неужели искривление пространства говорит о том, что во Вселенной есть какое-то дополнительное измерение, в направлении которого пространство искривлено?

Ответ. Дело в том, что в обыденной речи слово "кривизна" обозначает не совсем то же, что в речи математиков. При употреблении этого слова в быту мы имеем в виду следующее: сначала что-то (какая-нибудь пленка, проволока и т.п.) было прямым, потом его взяли и исказили, т.е. сделали кривым. Но в математике слово "кривизна" означает нечто иное: пространство называется искривленным если в нем не выполняются аксиомы евклидовой геометрии, как уже было отмечено выше. Место этих аксиом занимают аксиомы геометрии Лобачевского или Римана. Для того, чтобы изучать пространство в этих геометриях, нет никакой необходимости в каких-то дополнительных измерениях. В конце-концов, геометрия Евклида ничем не лучше геометрии Лобачевского или Римана, они полностью равноправны.

В принципе, дополнительные пространственные измерения могут существовать и, более того, их существование предсказывается некоторыми теориями современной физики. Но их существование никак не связано с кривизной пространства; они сами должны быть искривлены.

Вопрос 6. Если Вселенная - это трехмерная сфера, то где находится центр этой сферы ? Может быть, в четвертом измерении?

Ответ. По сути дела, этот вопрос - другой вариант вопроса 5. В принципе, можно, конечно, считать, что у замкнутой Вселенной есть центр, находящийся в четвертом пространственном измерении, но никакого физического смысла это четвертое измерение не имеет.

Вопрос 7. Какой смысл имеет бесконечность Вселенной, если ее видимая часть ограничена космическим горизонтом?

Ответ. Проведем такой мысленный эксперимент. Представим себе галактику А, расположенную совсем недалеко от космического горизонта (на расстоянии, скажем, 15 млрд. св. лет от нас). Мы ее видим такой, какой она была 15 млрд. лет назад, т.е. только-только образовавшейся. Представим себе, что мы мгновенно перенеслись в эту галактику. Наблюдая уже из нее, мы совсем недалеко от края видимой Вселенной, на расстоянии 15 млрд. св. лет увидели бы нашу звездную систему (такой, какой она была 15 млрд. лет назад). В противоположной части неба мы бы увидели галактику В, расположенную на таком же расстоянии от А, что и наша, и имеющую тот же возраст. Мгновенно перенесемся теперь в галактику В. Наблюдая из этой звездной системы, мы уже не увидим нашу Галактику, поскольку она находится за горизонтом галактики В, т.е. в тот момент, когда производится наблюдение, она еще не успела образоваться. В противоположной части неба от галактики А мы увидим галактику С; перепрыгнем и на эту галактику. Если Вселенная бесконечна, то такие мгновенные прыжки могут продолжаться до бесконечности; мы посетим бесконечное число галактик, и никогда в нашем поле зрения не появится наш звездный дом - Млечный Путь. Если же Вселенная замкнута, то, совершая такие прыжки, из одной из галактик мы вновь увидим нашу звездную систему, причем в противоположном направлении, чем из галактики А. Совершив еще один прыжок, мы вернемся домой.

Вопрос 8. Как можно представить себе, что горизонт - это точка, видимая с любого направления?

Ответ. Представим себе, что мы находимся на северном полюсе земного шара, а информация о каких-либо событиях идет к нам по кратчайшим линиям земной поверхности - меридианам. Тогда, если источник информации расположен на южном полюсе, то любой сигнал, с какой бы стороны мы его не приняли, испущен одной и той же точкой - южным полюсом. В применении к наблюдаемой части Вселенной эта аналогия означает, что нашему расположению во Вселенной соответствует северный полюс, путям света - меридианы, горизонту - южный полюс.

Вопрос 9. Не противоречит ли существование космического горизонта безграничности Вселенной, следующей из космологического принципа?

Ответ. Нет, не противоречит. Из космологического принципа следует, что пространство Вселенной безгранично в каждый конкретный момент космического времени. Если бы мы могли наблюдать горизонт, мы бы наблюдали не границу пространства, а "границу времени", т.е. сингулярность. Эта "граница времени" в принципе доступна наблюдениям потому, что лучи света и любая информация поступает к нам с конечной скоростью, бесконечно быстрых сигналов в природе нет, это запрещено частной теорией относительности в сочетании с принципом причинности.

Вопрос 10. Следует ли из закона Хаббла, что могут существовать галактики, скорость удаления которых превышает скорость света? Если это так, не противоречит ли космология расширяющейся Вселенной теории относительности, согласно которой скорость света - это предельная скорость сигналов?

Ответ. Краткий ответ на этот вопрос мог бы выглядеть так: Скорость v, входящая в закон Хаббла, при расстояниях больше c/H превышает скорость света, но это не противоречит теории относительности, поскольку не существуют галактики, которые могут обогнать свет.

Теперь подробнее. Скорость v, входящая в закон Хаббла, определяется как пройденное расстояние, деленное на время, измеренное по часам, установленным на галактике. Эта скорость является аналогом так называемой 4-мерной скорости в специальной теории относительности (СТО), определяемой аналогичным образом (пройденное расстояние, деленное на промежуток собственного времени, который определяется как время, измеренное по часам, установленным на движущемся теле). 4-мерная скорость больше обычной скорости u (т.е. той скорости, которая измеряется неподвижным наблюдателем) в раз (где u - скорость света), она может быть во сколько угодно раз больше скорости света; эти две скорости совпадают только при очень малых скоростях движения. Такое соотношение между этими двумя скоростями проистекает из того, что промежуток времени, измеренный неподвижным наблюдателем, больше промежутка времени, измеренного по часам, установленным на теле, в раз. Поэтому в том факте, что при расстояниях, превышающих c/H, скорость v превосходит скорость света, нет ничего удивительного. Заметим, что из-за кривизны пространства-времени соотношение между скоростью v и "обычной" скоростями иное, чем в специальной теории относительности. Обычно формулы, связывающие эти два понятия, в литературе не приводятся, да в этом и нет необходимости: все величины в космологии однозначно выражаются через скорость, расстояние и время, вводимые описанным §2.6 способом.

Вспомним, далее, почему СТО запрещает сверхсветовые скорости. Дело тут в том, что если два события связаны между собой сверхсветовым сигналом, то в разных системах отсчета порядок их следования может быть разным, что противоречит принципу причинности. Другими словами, если расстояние между двумя событиями δl, а промежуток времени между ними δt, то величина (δs)²=(cδt)²-(δl)², называемая интервалом, для причинно связанных событий должна быть положительной; при этом важно то, что и δl, и δt измерены в одной системе отсчета. Поскольку галактики являются телами, которые могут быть использованы для передачи сигналов, для галактик должно выполняться соотношение (δs)²>0; если сигнал сверхсветовой (обгоняет свет), то знак неравенства обратный. В космической системе отсчета формула для интервала имеет вид (δs)²=(cδt)²-a²(t)·(δX)² (определение входящих сюда величин см. §2.6). Но вспомним сказанное в §2.6 о космической системе отсчета: в ходе хаббловского движение космическая координата X не меняется, а разбегание галактик описывается изменением масштабного фактора a(t). Это означает, что слагаемое со знаком минус в вышеприведенной формуле равно нулю, т.е. (δs)²>0 и галактики не могут обогнать свет. Это отлично согласуется с теорией относительности. Да иного и быть не могло, т.к. вся современная космология представляет собой следствие теории относительности (потому она и называется релятивистской).

Подробнее (но менее понятно) на этот вопрос отвечают статьи:

Вопрос 11. Означает ли существование космической системы отсчета и возможность измерения нашей скорости относительно нее нарушение принципа относительности, согласно которому все системы отсчета эквивалентны, и движение и покой - два равноправных состояния?

Ответ. Точная формулировка принципа относительности гласит: с помощью измерений, выполненных внутри замкнутой лаборатории, невозможно выяснить, находится ли эта лаборатория в cостоянии покоя или она совершает инерциальное движение. Движение Земли относительно космической системы отсчета противоречило бы принципу относительности только в том случае, если бы это движение оказывало влияние на физические явления внутри земных лабораторий, причем это влияние нельзя было бы никакими способами устранить. Выполнено огромное количество опытов, показавших, что наше движение относительно фона реликтового излучения никах не влияет на эксперименты, проводимые "здесь и сейчас". Поэтому поэтому никакого противоречия с принципом относительности здесь нет.

Вопрос 12. Из принципа "чем дальше в пространстве - тем глубже во времени" следует, что объекты на расстояниях миллиарды световых лет должны систематически отличаться от близких. Не противоречит ли этот вывод космологическому принципу, согласно которому свойства Вселенной во всех точках одинаковы?

Ответ. Противоречия здесь нет. Точная формулировка космологического принципа для расширяющейся Вселенной гласит: Вселенная однородна и изотропна в каждый момент времени, прошедший после Большого Взрыва. Но объекты, наблюдаемые нами на больших расстояниях, мы видим такими, какими они были миллиарды лет назад, во Вселенной, на миллиарды лет моложе, чем сейчас (чем больше красное смещение, тем больше расстояние, тем больше времени требуется свету, чтобы дойти до нас). Заметим также, что ограниченность видимой части Вселенной также не противоречит выводу о ее безграничности: ограничена не Вселенная как таковая, а только та часть ее, откуда за время ее существования успели придти к нам световые сигналы.

Вопрос 13. Если Вселенная замкнута, но не могли бы мы, хотя бы в принципе, вылетев с Земли на ракете, лететь все время в одном направлении и вернуться в исходную точку, как участники кругосветной экспедиции Магеллана?

Ответ. Если бы скорость ракеты могла быть сколь угодно большой мы могли бы это сделать. Это можно объяснить тем, что гравитация во Вселенной с Ω>1 настолько сильна, что она обязательно искривит путь любого тела так, что он замкнется в окружность. Радиус этой окружности - это и есть радиус кривизны пространства замкнутой Вселенной. Однако на самом деле есть одно важное ограничение - к сожалению, двигаться со скоростью больше скорости света невозможно. Анализ показывает, что при движении с досветовой или даже световой скоростью в замкнутой Вселенной с нулевой плотностью энергии вакуума (т.е. в фридмановской модели, обозначенной в §4.3 как модель III) путешественики просто не успеют вернуться в исходную точку: Вселенная сожмется раньше. А вот если плотность энергии вакуума, т.е. космологическая постоянная, положительна, то замедление расширения Вселенной может смениться ускорением и Вселенная никогда не сожмется, даже если она замкнута. В этом случае описанное выше кругосветное путешествие в принципе возможно; в частности, такое путешествие может совершить и световой луч, благодаря чему в принципе можно увидеть собственный затылок! Напомним, что в настоящее время наиболее вероятной космологической моделью считается именно модель с ненулевой положительной плотностью вакуума и кривизной пространства, примерно равной нулю. Но если суммарная плотность энергии вещества и вакуума лишь ненамного больше критической, то отличие геометрии Вселенной от евклидовой невозможно обнаружить при сегодняшнем уровне развития техники.

Вопрос 14. В некоторых научно-популярных журналах, газетах, на радио и телевидении встречается утверждение, что, дескать, в настоящее время от теории Большого Взрыва отказывается все и больше и больше ученых. Это правда?

Ответ. Журналисты, как всегда, заблуждаются. Судя по публикациям научных журналов, эта теория продолжает оставаться лучшей научной теорией, описывающей Вселенную как единое целое. Ее разделяют подавляющее большинство астрофизиков, занимающихся изучением галактик. Противники этой теории крайне малочисленны. Встречаются даже утверждения (возможно, несколько экстремистские), что теория расширяющейся Вселенной установлена так же надежно, как теория шарообразности Земли или гелиоцентрическая система устройства нашей планетной системы. Чтобы не быть голословными, приведем основные аргументы в пользу этой теории вместе с возможными доводами против нее.

1. За: Многочисленные данные подтверждают справедливость космологического принципа, являющегося фундаментом современной космологии.

Против: Ряд астрофизиков, используя некоторые методы статистики, утверждают, что не существует верхнего предела скучивания вещества в больших маштабах, Вселенная устроена иерархически, подобно матрешке: галактики образуют системы большего порядка, те - еще большего и т.д.

Контрдовод: Однако другие ученые оспаривают надежность этих методик и не подтверждают вывод об иерархической устройстве Вселенной. Крупнейшим доводом, на который до сих пор никто даже не посягнул, в пользу однородности и изотропии Вселенной в больших масштабах является высокая степени изотропии фонового излучения в разных диапазонах длин волн, особенно микроволнового (реликтового) излучения.

2. За: Выполняется закон Хаббла, из которого следует, что галактики разбегаются друг от друга, Вселенная расширяется и имеет конечный возраст - около 15 миллиардов лет.

   Против (1): Некоторые исследователи утверждают, что с помощью определенных методов измерения межгалактических расстояний им доказать справедливость другого закона - зависимость скорости удаления от квадрата расстояния до галактики.

   Контродовод: По мнению подавляющего большинства астрономов, эти утверждения - нонсенс. Огромное количество наблюдательных данных свидетельствует о справедливости закона Хаббла и на малых (по космологическим меркам), и на очень больших расстояниях. Об этом много говорилось выше. А что же касается оппонентов, то просто используют ошибочные методы измерения расстояний до галактик. Вот пример. В.С. Троицкий, использовав в качестве индикатора расстояний до галактики ее наблюдаемую яркость, получил вышеупомянутый квадратичный закон. Но все галактики имеют разную светимость, и чтобы блеск галактики использовать в качестве индикатора расстояний, нужно брать только галактики с одной и той же светимостью (разновидность стандартных свечей), что и было сделано очень многими астрономами, особенно Аланом Сендиджем. При этом получается хаббловская, линейная зависимость между скоростью и расстоянием. Выше уже говорилось о том, что использование в качестве стандартных свечей пульсирующий переменных звезд-цефеид и сверхновых типа Ia также приводит к закону Хаббла.

   Против (2): Другие другие ученые, не отвергая закон Хаббла, так сказать, в целом, утверждают, что существуют обширные популяции внегалактических объектов, для которых он заведомо несправедлив. Так, известные астрономы Хэлтон Арп, Джеффри Бербидж и др. привели многочисленные примеры того, как квазар с большим красным смещением z соседствует на небе с галактикой с существенно меньшим z, причем таких примеров, по их мнению, слишком много, так что их нельзя объяснить чисто случайными совпадениями.

   Контрдоводы: Действительно, такие совпадения существуют, и они очень эффектны. Однако необходимо учесть эффект гравитационной линзы: когда квазар случайно проецируется на небо по соседству с более близкой галактикой, та искажает его лучи света, в результате чего блеск квазара несколько усиливается. Поскольку более яркие квазары в среднем легче наблюдать, и возникает иллюзия, что квазары группируются рядом с галактиками. К тому же в настоящее время есть прямые доказательства, что квазары - это аномально активные ядра галактик, которые находятся на таких расстояниях, которые следуют из их красных смещений по закону Хаббла. Эти галактики, ядрами которых являются квазары, довольно трудно обнаружить, поскольку их свет "забивается" светом более яркого квазара. Однако эти трудности вполне преодолимы, и к настоящему времени известно очень много галактик, окружающих квазары.

3. За: Существует реликтовое излучение - свечение Вселенной в целом, имеющее характер излучения абсолютно черного тела и почти одинаковые характеристики во всех точках небосвода, что и предсказано теорией горячей расширяющейся Вселенной.

   Против: Некоторые астрономы считают, что, помимо теории горячей Вселенной, есть и другие гипотезы, объясняющие существование приближенно однородного теплового фонового излучения в микроволновом диапазоне. А именно, они считают, что это излучение является переработанным светом звезд, т.е. оно не имеет никакого отношения к физическим процессам в ранней Вселенной. Чернотельный, планковский характер этого излучения, согласно этой гипотезе, объясниеятся тем, что межгалактическое пространство не вполне прозрачно, оно, как предполагается, заполнено пылью; звездный свет, считают ее, многократно рассеивается, поглощается и переизлучается межгалактической пылью, что и приводит к термализации этого излучения.

   Контродовод: Как показывают измерения, произведенные со спутника СОВЕ, спектр реликтового излучения вообще не отклоняется от планковской кривой - спектра излучения абсолютно черного тела. В изложенной только что модели это можно объяснить только в том случае, если постулировать очень высокую концентрацию пылинок в межгалактическом пространстве. Но тогда эта пыль приводила бы к определенным искажениям спектра далеких радиогалактик, которые на самом деле не наблюдаются. Поэтому теория горячей Вселенной является единственным разумным объяснением чернотельного характера реликтового излучения.

4. За: Открытые в 1992 году слабые отклонения от однородности и изотропии реликтового излучения подтверждают современные представления о формировании галактик и их систем как следствия гравитационной неустойчивости в процессе расширения Вселенной. Свойства этих неоднородностей блестяще соответствуют предсказаниям теории образования крупномасштабной структуры Вселенной, основанной на теории Большого Взрыва.

5. За: Теория Большого Взрыва блестяще объясняет высокое содержание гелия и других химических элементов в звездах и межзвездной среде.

6. За: Вселенная на больших расстояних и, следовательно, в прошлом, была иной, чем в настоящее время. Свидетельством этого являются:

   • галактики с большими красными смещениями, являющиеся молодыми;
   • квазары, существующие при больших и отсутствующие при малых красных смещениях;
   • свойства диффузного газа на больших z, показывающие, что газ в среднем во Вселенной газ постепенно обогащался тяжелыми элементами, причем чем больше красное смещение - тем большая доля вещества была сосредоточена в газе и тем меньшая - в звездах;
   • темнота ночного неба.

Добавим сюда также два важнейших довода общефизического характера:

Как показывает опыт истории, иногда бывает так, что даже самые правдоподобные теории рушатся под воздействием новых фактов. Не исключено, что когда-нибудь такая доля постигнет и теорию Большого Взрыва. Однако в настоящее время эта теория успешно объяснят всю совокупность наблюдательных фактов, относящихся к космологии и является, таким образом, наилучшей современной космологической теорией.

Критика некоторых нестандартных космологических теорий содержится в следующих статьях:

Вопрос 15. Согласно второму началу термодинамики, энтропия замкнутых систем растет, т.е. с течением времени во Вселенной увеличивается беспорядок, все структуры постепенно разрушаются, в мире возникает все больше и больше хаоса. Но в теории расширяющейся Вселенной предполагается, что в космологических масштабах структура наоборот самопроизвольно возникает. Это похоже на то, как если бы из кучи строительного материала сам собой возник дом. Итак, не противоречит ли эта теория надежно проверенному закону природы - второму началу термодинамики?

Ответ. В действительности, теория образования космических объектов (звезд, галактик, крупномасштабной структуры Вселенной) нисколько не противоречит второму началу. Хотя в наших, земных условиях рост энтропии (меры беспорядка) сопровождается размыванием всяческой структуры, в космических условиях рост энтропии, наоборот, приводит к все большему структурированию Вселенной. Причиной такого странного поведения энтропии в космических масштабах является гравитация, которой в лабораторных условиях (при анализе диффузии, теплопередачи и т.п.) вполне можно пренебречь ввиду ее относительной слабости. В космосе же масштабы масс, принимающих участие в эволюционных процессах, настолько велики, что именно гравитация играет роль "первой скрипки".

Теперь подробнее. Как показывается во всех университетских курсах молекулярной физики, энтропия пропорциональна логарифму статистического веса W - количеству способов, с помощью которых можно реализовать макросостояние, характеризующееся определенными значениями макропараметров - температуры, объема, давления и т.д. Величина W тем меньше, чем меньше объем системы. Например, газ, помещенный в какой-нибудь "земной" сосуд, не может самопроизволно сжиматься, поскольку в ходе этого процесса его энтропия уменьшилась бы, что противоречит второму началу термодинамики. Однако статистический вес также пропорционален температуре газа: чем больше температура газа, тем более значительны хаотические движения составляющих его частиц. Так вот, при сжатии газа под действием собственной силы тяжести (напомним, именно так образуются небесные объекты) его температура растет (поскольку чем меньше объем газа, тем больше сила тяготения, заставляющая его сжиматься, тем больше должно быть давление, препятствующее этому сжатию, и, следоватеьно, тем больше температура), причем как показывают расчеты, рост "температурного сомножителя" в энтропии с лихвой компенсирует уменьшение "объемного сомножителя" в ходе сжатия, так что в целом энтропия растет. Так что гравитационная неустойчивость отнюдь не противоречит росту энтропии, более того, она следует из него.

Отметим, кстати, несколько парадоксальную роль гравитации в этом примере.

Вопрос 16. Что такое "тепловая смерть Вселенной"? Настанет ли она когда-нибудь?

Ответ. Этот вопрос тесно связан с предыдущим. Гипотеза "тепловой смерти Вселенной" была высказана Рудольфом Клаузиусом, одним из первооткрывателей второго начала термодинамики. В одной из формулировок второго начала, данной Клаузиусом, "энергия мира постоянна, энтропия мира стремится к максимуму". Состояние максимальной энтропии - это и есть тепловое (термодинамическое) равновесие, при котором, в частности, температуры всех частей системы одинаковы. Но наша Вселенная заведомо не такая, в ней есть холодные планеты и горячие звезды. Стало быть, ей еще предстоит прийти в состояние, при котором все температурные контрасты выровняются. Это состояние и называется "тепловой смертью" Вселенной. Кстати говоря, раз Вселенная до сих пор не пришла в это состояние, она относительно молода. А в 19 веке отсюда автоматически делались выводы о божественном вмешательстве и т.д. Вот почему Фридрих Энгельс сильно возражал против этой гипотезы, не давая, однако, вразумительного объяснения этого парадокса.

С современной точки зрения, во-первых, Вселенная и в самом деле имеет конечный возраст, что нисколько не требует наличия Бога. Так что, можно сказать, этот парадокс утратил свою остроту. Во-вторых, формулировка Клаузиуса в применении ко Вселенной (и вообще к гравитирующим системам) не вполне точна: энтропия Вселенной растет, но не стремится к максимуму, поскольку для Вселенной в целом нет максимума энтропии (впервые доказал Толмен в 30-х годах XX в.)! Это можно увидеть из тех же самых соображений, которые были использованы при ответе на предыдущий вопрос: из-за действия гравитации во Вселенной постоянно развивается структура, в ходе этого процесса постоянно растет энтропия, и нет ничего, что могло бы его остановить. В-третьих, в далеком будущем Вселенная, по-видимому, придет в состояние, практически неотличимое от "тепловой смерти". Причина этого заключается в том, что материя нестабильна, все подвержено радиоактивному распаду, даже протон, и тот распадается с периодом полураспада более 10³² лет. Море электронов, позитронов и фотонов - вот что ожидает нас в далеком будущем. Впрочем, уже не нас...