Вступ.

Витоки космології

Цю книжку присвячено космології – науці про структуру і еволюцію Всесвіту, його минуле та майбутнє. Космологія – дуже молода наука: їй виповнилося всього сто років. Своєю появою вона завдячує публікації 1917 року роботи Альберта Ейнштейна «Космологічні прояви загальної теорії відносності» (1965). У ній вперше закони фізики були застосовані до всього Всесвіту одразу. Конкретно мова йшла про рівняння загальної теорії відносності (ЗТВ), яку незадовго до цього придумав Ейнштейн.

Сказати по правді, ніщо не заважало цій науці з'явитися на 250 років раніше, одразу після відкриття сером Ісааком Ньютоном закону всесвітнього тяжіння. Фізики XVII-ХІХ століть міркували про нескінченний Всесвіт, заповнений зорями з планетними системами. Такий Всесвіт існував безперервно і все, що потрібно було для прогнозування його майбутнього стану, - це знання законів механіки і поточного стану всіх об'єктів. Однак, гравітація в ньютонівській механіці має одну особливість: це завжди сила тяжіння, яка ніколи не стає силою відштовхування. Тому, окремі зорі в нескінченному Всесвіті врешті мали б зібратися докупи через взаємне тяжіння. На реальному небі видимі неозброєним оком зорі розташовані приблизно рівномірно. Ця проблема начебто вирішувалася простим, але невірним міркуванням: оскільки Всесвіт нескінченний, то кожна частинка тяжіє до нескінченного числа інших частинок. Якщо частинки заповнюють Всесвіт з постійною щільністю, то сумарна сила компенсується і при розгляді динаміки Всесвіту загалом, гравітаційним тяжінням можна знехтувати.

Ця ідея є настільки ж продуктивною, наскільки продуктивними є спроби поставити олівець на кінчик грифеля. В обох випадках причиною невдачі є нестійкість рівноваги. Навіть якщо ми якось примудримося поставити олівець вертикально на гострий кінець грифеля, то будь-яке найменше відхилення від вертикалі спричинить момент сили, який відхилить олівець у тому ж напрямку, збільшуючи відхилення і руйнуючи початкову рівновагу. У техніці цей ефект називається додатним зворотним зв'язком.

Ще ближчою є аналогія з перевернутою склянкою води. Напевно, вам відомий класичний дослід, у якому склянку з водою, накриту листівкою або щільною картонкою, перевертають догори дном, і вода залишається в склянці завдяки силі атмосферного тиску, еквівалентній вазі 10,3 метрів води. Але мало хто замислюється, навіщо для цього досліду необхідна картонка. Причина у так званій нестійкості Релея-Тейлора: коли більш щільна рідина (вода) поміщена над менш щільною рідиною (повітрям)), будь-яке відхилення поверхні від пласкої буде експоненційно збільшуватися з часом, швидко руйнуючи межу між ними. Цей процес широко відомий як виливання рідини. Ось для чого потрібна картонка: вона не створює жодних сил, але фіксує форму межі між водою і повітрям, перешкоджаючи розвитку нестійкості Релея-Тейлора.

У Всесвіті виникають два прояви подібної нестійкості, що називається гравітаційною нестійкістю. Один з них проявляється в тому, що через випадкові причини утворюються області підвищеної густини або атрактори, до яких починають рухатися сусідні зорі, і зони більш низької густини, відомі як порожнечі або войди. Другий проявляється в тому, що взаємне тяжіння зірок, що заповнюють нескінченний Всесвіт, призводить не лише до зростання збурень густини, але і до прискореного стиснення всього Всесвіту, тобто до зменшення середньої відстані між зорями. Цей результат також можна отримати, проаналізувавши потенційну енергію Всесвіту, яка є мінімальною, коли уся матерія збирається докупи.

Звичайно, вченим того часу було відомо, що відхилення від рівномірного розподілу густини матерії з часом призводять до їх збільшення, але у той час цей механізм розглядався лише у масштабах, що не перевищували розміри Сонячної системи. Відповідно до гіпотези Лапласа, планети Сонячної системи утворилися з початкової газопилової туманності саме під впливом взаємного гравітаційного тяжіння. До більших масштабів подібні міркування не застосовували. У розглянутій картині світу зростання неоднорідності густини матерії призводило до утворення планет, які не падали на Сонце тільки тому, що оберталися навколо нього. На відстанях порядку відстаней до найближчих зірок Всесвіт вже розглядався як щось однорідне, і вважалося, що сила тяжіння якогось тіла до різних зірок повністю компенсується.