Первую модели однородной изотропной Вселенной предложил А. Эйнштейн. Она описывала так называемую стационарную Вселенную, т. е. такую Вселенную, которая с течением времени не только не меняется в общих чертах, но в которой вообще нет каких-либо движений достаточно крупного масштаба.

Однако в 1922 г. талантливый ленинградский ученый А. А. Фридман показал, что уравнения Эйнштейна допускают также множество нестационарных, а именно расширяющихся и сжимающихся, однородных изотропных моделей.

Позднее выяснилось, что и статическая модель Эйнштейна неизбежно переходит в нестационарную. Но это означало, что однородная изотропная Вселенная обязательно должна либо расширяться, либо сжиматься.

Еще до этого американский астроном Слайфер обнаружил красное смещение спектральных линий в спектрах галактик. Подобное явление, известное в физике под названием эффекта Доплера, наблюдается в тех случаях, когда расстояние между источником света и приемником увеличивается.

Рис. 14. Схема расширения Метагалактики. Красное смещение спектральных линий возрастает с расстоянием.

Уже после работ Фридмана американский астроном Хаббл окончательно доказал, что чем дальше расположена от нас галактика, тем больше сдвиг линий в ее спектре Мало того, обнаружилась прямая пропорциональная зависимость между расстояниями и величиной красного смещения. С точки зрения принципа Доплера это означает, что все галактики удаляются друг от друга с тем большей скоростью, чем больше расстояние между ними.

На основании этой картины движения галактик, полученной в результате объяснения красного смещения с помощью эффекта Доплера, и была разработана теория расширяющейся Метагалактики.

Однако признание этой теории отнюдь не было единодушным. В разное время предпринимались всевозможные попытки объяснить явление красного смещения не взаимным удалением галактик, а какими-либо другими причинами. Ни одна из предложенных гипотез успеха не имела.

Тем не менее попытки опровергнуть доплеровский характер красного смещения в спектре галактик продолжаются и по сей день.

Попытаемся разобраться в том, можно ли объяснить красное смещение в спектрах галактик не эффектом Доплера, а какой-либо иной причиной, и существуют ли сколько-нибудь серьезные основания сомневаться в расширении Метагалактики?

В качестве наиболее распространенного возражения против космологической интерпретации красного смещения выдвигалось предположение о «старении» фотонов, их постепенной «деградации» и уменьшении их энергии (т. е. увеличении длины волны) на долгом пути через космическое пространство.

Однако «спор» между эффектом Доплера и эффектом деградации может быть вполне однозначно разрешен с помощью астрономических наблюдений. Дело в том, что эти эффекты не совсем одинаковы.

Как показывают расчеты, при старении фотонов изменение Δν частоты ν (т. е. сдвиг спектральных линий) должно быть одинаково по всему спектру. Другими словами, величина сдвига не зависит от частоты.

В случае же эффекта Доплера изменение частоты пропорционально частоте. Тут постоянна не сама величина сдвига Δν, а ее отношение к соответствующей частоте Δν/ν. Другими словами, величина сдвига в этом случае неодинакова для различных линий спектра.

Что же говорят наблюдения? Они свидетельствуют о том, что как раз красное смещение, наблюдаемое в спектрах галактик, таково, что для различных линий одного и того же спектра одинаково не изменение частоты, а именно отношение этого изменения к самой частоте. И это недвусмысленно свидетельствует в пользу «доплеровского» объяснения красного смещения в спектрах галактик.

Другой вопрос, происходит ли «деградация» космических фотонов вообще. Если сдвиг спектральных линий не зависит от частоты, то, очевидно, он должен быть заметнее всего в области относительно низких частот, т. е. в радиодиапазоне. Здесь словно на «растянутой» шкале радиоприемника даже небольшое изменение частоты должно сразу «бросаться в глаза». Однако никаких признаков подобного явления астрофизическими наблюдениями не обнаружено.

Правда, справедливость требует отметить, что в принципе есть еще одно физическое явление, обладающее такими же особенностями, как и эффект Доплера. Когда излучение распространяется в поле тяготения, то его частота изменяется так же, как и при взаимном удалении источника и приемника.

Но расчеты показывают, что в случае метагалактического красного смещения этот эффект, известный под названием «гравитационного смещения» или «эффекта Эйнштейна», по своей величине может представлять собой лишь весьма небольшую добавку к эффекту Доплера.

Таким образом, современная физика не знает других явлений, кроме эффекта Доплера, с помощью которых можно было бы объяснить красное смещение, наблюдаемое в спектрах галактик.

Но есть ли вообще основания искать какие-то иные объяснения, не связанные с эффектом Доплера? Это было бы, очевидно, оправдано в том случае, если бы «доплеровская» картина приводила к каким-либо серьезным противоречиям. Существуют ли такие противоречия в действительности?

В свое время выдвигались возражения, связанные с возрастом космических объектов. Дело в том, что, согласно теории расширяющейся Метагалактики, продолжительность эпохи расширения исчисляется в 10–20 миллиардов лет. Не приводит ли это к противоречию с существующими оценками возраста звезд, звездных скоплений и галактик?

Одно время действительно казалось, что длительность эпохи расширения и возраст космических объектов не согласуются друг с другом. Однако сейчас можно считать общепризнанным, что продолжительность существования всех известных нам космических образований имеет порядок 10 миллиардов лет.

Тем не менее оценки возраста отдельных космических объектов в 20 и более миллиардов лет встречаются и сейчас. Возникает вопрос: если эти оценки в самом деле подтвердятся, будет ли это катастрофичным для теории расширения?

Как подчеркивает А. Л. Зельманов, вывод о продолжительности эпохи расширения Метагалактики, равной 10–20 миллиардам лет, сделан в рамках теории однородной изотропной Вселенной. В более общей теории этот срок может быть и несколько увеличен.

Однако и в теории однородной изотропной Вселенной возможны некоторые варианты, при которых эпоха расширения Метагалактики могла быть и более длительной. В большинстве вариантов теории в начале расширения преобладает взаимное гравитационное притяжение масс, которое тормозит, замедляет расширение. Но по мере расширения гравитационное притяжение слабеет, а космическое отталкивание, существование которого при определенных условиях допускают уравнения общей теории относительности, усиливается. Возможен случай, при котором притяжение в конце концов уравновешивается отталкиванием, а затем и уступает ему, — тогда замедляющееся расширение должно смениться ускоряющимся.

Предположим, что Метагалактика вела себя именно так и мы живем в эпоху ускоренного расширения. Но это означает, что в недавнем прошлом оно протекало медленнее и, следовательно, длилось дольше, чем при непрекращающемся торможении.

С другой стороны, «оценка возраста вполне может быть и уменьшена.

Согласно теории горячей расширяющейся Вселенной, через некоторое время после начала расширения должна была наступить такая фаза, когда все вещество представляло собой плазму, состоящую из электронов, протонов и ядер легких элементов. Кроме вещества, существовало и электромагнитное излучение: радиоволны, световые и рентгеновские лучи. В тот период вещество и излучение находились в равновесии. Частицы (главным образом электроны) излучали примерно столько же фотонов, сколько и поглощали.

Однако в дальнейшем температура упала настолько, что электроны стали соединяться с ионами, образуя атомы водорода, гелия и других химических элементов. Вследствие этого среда стала прозрачной для излучения. Другими словами, фотоны практически перестали испускаться и поглощаться.