Глава 2. Вселенная расширяется

§2.5. Разбегание галактик и Большой Взрыв

Важное значение закона Хаббла заключается в том, что он дает простой способ измерения расстояний до галактик, поскольку красное смещение в их спектрах пропорционально расстоянию до галактики. Однако главное значение этого закона заключается в другом. Разбегание галактик говорит об уменьшении средней плотности вещества во Вселенной с течением времени. А поскольку галактики согласно космологическому принципу заполняют собою все пространство, это означает, что Вселенная как целое расширяется.

Представим себе, что мы засняли процесс разбегания галактик на кинопленку. Мысленно (а как еще?!) прокрутим этот космический фильм в обратном направлении. Мы увидим, что галактики постепенно приближаются друг к другу и, наконец, когда-гибудь настанет момент, когда расстояние между любыми элементами материи во Вселенной равно нулю. Этот момент носит название Большого Взрыва. С него началось существование Вселенной. Ясно, что в момент Большого Взрыва плотность материи была очень велика. Формально, даже бесконечно велика, но необходимо добавить, что существующие физические теории не могут быть продолжены за пределы плотностей, выше чем 10⁹³ г/см³ (планковская плотность). Состояние вещества в начале расширения называется сингулярностью (от латинского слова singular — особенный).

Нетрудно оценить, сколько времени прошло с момента Большого Взрыва. Представим себе, что галактика движется с постоянной скоростью v и в настоящее время она расположена на расстоянии r от нас. Тогда ее движение продолжалось в течение времени t_H=r/v. Но по закону Хаббла v=Hr, т.е.

tH=H-1

(2.4)

(это время носит название хаббловского). Поскольку величина H одинакова для всех галактик, мы приходим к выводу, что все галактики начали свое движение одновременно (заметим, что, если бы скорость удаления галактик не была пропорциональной расстоянию, то понятие Большого Взрыва было бы неприменимым, поскольку разные галактики начали бы движение в разное время). Итак, если скорость движения галактик неизменна, то хаббловское время представляет собой возраст Вселенной. Например, если постоянная Хаббла H=65 км/(с·Мпк), то хаббловское время t_H≈15 млрд. лет.

Впрочем, эта оценка является весьма грубой. Дело в том, что мы предположили, что скорость галактик всегда была неизменна, в действительности же она могла меняться. Например, если скорость галактики с течением времени уменьшается, то в прошлом она была больше и реальный возраст Вселенной должен быть меньше хаббловского времени.

Интересно сравнить с этой оценкой другой важный промежуток времени — возраст старейших звезд, который можно оценить с помощью теории звездной эволюции (таковыми являются звезды, населяющие так называемые шаровые звездные скопления, рис. 2.5.1).

Существующие оценки говорят о том, что возраст старейших скоплений составляет 14 млрд. лет с возможной ошибкой 3 млрд. лет в ту или другую сторону. Как видим, это по порядку величины совпадает с хаббловским временем, что является сильным аргументом в пользу теории Большого Взрыва, поскольку если бы эта теория была не верна, возраст старейших звезд и хаббловское время могли бы различаться на сколько угодно порядков величин. Некоторые трудности возникают в том случае, если возраст старейших звезд превосходит хаббловское время (ведь не может же Вселенная быть моложе звезд, входящих в ее состав). Разрешение этого возможного противоречия — введение так называемой космологической постоянной (подробнее см. в §4.5). Впрочем, по последним данным, возраст старейших составляет примерно 12 млрд. лет, что, как видим, не противоречит предполагаемому возрасту Вселенной.

Возникает вопрос, что было раньше? К сожалению, наука пока не в состоянии дать на него ответ, поскольку, как уже было сказано, современной теории недостаточно для того, чтобы описать cвойства материи при плотностях выше планковской (10⁹³ г/см³). Впрочем, ученые пытаются найти хотя бы направление поисков ответа на этот, без сомнения, центральный вопрос современной науки. Возможно, что само понятие "время до Большого Взрыва" лишено реального смысла; до Большого Взрыва просто ничего не было. Можно провести аналогию с вопросом: "Что находится севернее северного полюса?" Ясно, что ничего. Если это так, то Большой Взрыв — это момент происхождения не только Вселенной, но и самого пространства-времени.

Обратим внимание на один важный вывод, следующий из формулы (2.4), если ее прочитать "справа налево": величина постоянной Хаббла обратна времени, прошедшему с начала расширения. Это означает, что H непрерывно уменьшается в ходе расширения Вселенной. Об этой величине как о постоянной говорят в том смысле, что она не зависит от расстояния.