§ 3. Достоинства и недостатки фридмановской модели. Часть 1
Почти все наблюдаемые в пределах Метагалактики явления нашли свою интерпретацию на основе фридмановской модели нестационарной Вселенной:
}. Количественное описание эффекта красного смещения спектра излучения галактик (закон Хаббла) — так как Метагалактика расширяется, то галактики должны разбегаться, причем более удаленные должны двигаться с большими скоростями.
2. Предсказание существования и описание свойств реликтового излучения, возникшего, когда радиационно-доминантная фаза эволюции Метагалактики сменилась фазой доминантности вещества.
3. Количественное описание доли космологического дейтерия и гелия.
4. Описание барионной асимметрии в Метагалактике, возникающей из-за нарушения СР-четности.
5. Совпадение возрастов существования Метагалактики, вычисленного на основе модели Фридмана и определенного прямыми методами, например, по измерению времени жизни старых звезд.
Однако, когда начали подробно выяснять самосогласованность фридмановской теории, оказалось, что наиболее интересная часть эволюции Метагалактики, и в частности первые мгновения, прошедшие после начала ее расширения, очень плохо согласуются с фридмановской моделью. К выводу о необходимости модификации фридмановской модели с неизбежностью подводил также и прогресс в теории элементарных частиц и особенно той ее части, которая касается объединения взаимодействий. Кроме того, фрид-мановская модель испытывает трудности в смысле ее незамкну-
тости и невозможности непротиворечивого объяснения некоторых фактов в рамках существующих физических представлений:
1. Проблема горизонта (существование в рамках фридмановской модели множества причинно-несвязанных областей). В соответствии с теорией относительности информация от одного объекта к другому распространяется со скоростью v ^ с. Следовательно, если в некоторый момент времени t = 0 два объекта располагались в одной точке, то через некоторое время t = t \ они будут причинно связаны лишь при условии, если расстояние г между ними удовлетворяет условию г ^ ct\. Пусть величина t\ =tu (tu — время существования Метагалактики), тогда расстояние R = ctu есть максимальное расстояние, причинно связывающее две произвольные точки в Метагалактике, например Землю и некоторую галактику. Расстояние R = ctu называется горизонтом. Если подставить в выражение для величины R значение tu ?s 3-1017 с, вычисленное в соответствии с моделью Фридмана или по времени существования старых звезд, то легко получить, что Д% 1028 см, это совпадает с наблюдаемой областью Вселенной — Метагалактикой. Однако в фридмановской модели расширение происходит медленнее, чем увеличение размеров горизонта Rm ~ tb, где Ь определяется уравнением состояния Метагалактики, но Ь < 1. Поэтому отношение размера горизонта R к размеру Метагалактики Rm в фридмановской модели зависит от времени следующим образом: R/Rm ~ £|_6, и если сейчас обе величины совпадают, то это означает, что ранее Метагалактика была разбита на множество причинно не связанных областей (по некоторым оценкам при Rm ~ 10-30 см число таких областей было >~ 1080). Этот факт превращается в серьезную проблему, если его сопоставить с поразительной изотропией Метагалактики. Как различные части Метагалактики, причинно не связанные между собой, могли подстроиться друг к другу так, чтобы возникла практически полностью изотропная геометрия? Этот вопрос и составляет проблему горизонта.
Другие части:
§ 3. Достоинства и недостатки фридмановской модели. Часть 1