Теоретическое моделирование имеет важное значение не только для изучения геометрических свойств окру­жающего нас мира и природы, происходящих в нем фи­зических, процессов, но и для выяснения прошлого и будущего наблюдаемой Вселенной. Это в свою очередь позволило бы лучше понять закономерности ее строения и развития. В 1922 г. ленинградский математик А. А. Фридман занялся разработкой оригинальной теоретической мо­дели Вселенной. Он предположил, что средняя плотность материи в пространстве не является постоянной, а ме­няется с течением времени. Решая при этом условии уравнения тяготения Эйн­штейна, Фридман пришел к выводу, что любая достаточно большая область Вселенной, равномерно заполненная материей, не может находиться в состоянии равновесия: она должна либо расширяться, либо сжиматься. Еще в 1917 г. американский астроном В. М. Слайфер обнаружил «красное смещение» спектральных линий в спектрах далеких галактик. Как мы уже знаем, подобное смещение наблюдается в тех случаях, когда источник света удаляется от наблюдателя. В 1929 г. другой американский астроном Э. Хаббл выдвинул предположение о том, что красное смещение в галактических спектрах объясняется взаимным разбеганием этих звездных систем. Дальнейшие исследования показали, что явление «красного смещения» наблюдается в спектрах почти всех галактик, за исключением нескольких ближайших. При этом Хабблу удалось выяснить, что чем дальше распо­ложена от нас галактика, тем больше сдвиг линий в ее спектре. Все это давало основание считать, что почти все известные нам звездные системы удаляются от нас с ог­ромными скоростями в сотни, тысячи и десятки тысяч километров в секунду, причем более далекие галактики обладают и большими скоростями. Другими словами, по­лучалась картина движения галактик, хорошо согласую­щаяся с теоретическими выводами Фридмана. Правда, впоследствии был сделан целый ряд попыток объяснить явление «красного смещения» не удалением галактик, а какими-либо другими причинами. Высказы­вались предположения о том, что свет на пути в косми­ческом пространстве тем или иным образом теряет часть своей энергии. Однако пи одна из подобных гипотез успеха не имела. А после того как эффект красного сме­щения, был обнаружен и в радиодиапазоне, в его доплеровской природе не осталось больше никаких сомнений. Наблюдаемая Вселенная действительно расширяется. В настоящее время известны галактики, которые уда­ляются от нас со скоростями, достигающими 0,46 ско­рости света. Более того, в последние годы были открыты особые космические объекты (о которых более подробно речь будет идти в одной из следующих глав), так называемые сверхзвезды, или квазары, которые удаля­ются от нас со скоростями, достигающими 0,85 скорости света. На первый взгляд может сложиться впечатление, что поскольку галактики разбегаются от нас во всех направ­лениях, то мы находимся как раз в центре расширения. Но это не так. Дело в том, что расширение или сжатие материальной системы может происходить различными способами. Представим себе, что несколько человек рас­тягивают во все стороны круг листовой резины, центр которого неподвижно закреплен. Это будет расширение от одного общего центра — все точки растягивающейся резины как бы убегают в разные стороны от одной непо­движной точки. Однако может иметь место и другой случай, когда в расширяющейся системе нет ни одной неподвижной точки, иными словами, не существует центра расширения. В этом случае две любые точки си­стемы с течением времени будут удаляться друг от друга. В какой бы точке подобной системы пи располагался наблюдатель, у него будет создаваться иллюзия, что именно он находится в центре расширения. Итак, чем дальше расположена от нас та или иная галактика, тем быстрее она движется. Однако не сле­дует думать, что более далекие галактики движутся «большими ускорениями. Это означало бы, что на галактики постоянно действует какая-то сила, которая застав­ляет их разбегаться. Ведь ускоренное движение совер­шается только под действием силы. Между тем разбегание галактик вызвано иной причиной. Видимо, в отда­ленном прошлом материя в нашей области Вселенной находилась в сверхплотном состоянии. Затем произошел своеобразный «взрыв», в результате которого и началось расширение. Таким образом, действие силы, вызвавшей разбега вне космических объектов, было единовремен­ным. Следовательно, в настоящее время галактики долж­ны двигаться либо с постоянными скоростями, либо даже с замедлением из-за тормозящего действия общего гра­витационного поля Метагалактики. Почему же в таком случае более далекие галактики ведь же обладают большими скоростями? Это объяс­няется тем, что в начальный момент расширения различ­ные объекты получили разные скорости. Те из них, ко­торые обладали более высокими скоростями, за время, прошедшее с этого момента, должны были удалиться на более далекие расстояния. Изучение картины расширения интересует астрономов, прежде всего потому, что таким путем можно про­никнуть в историю космических объектов. Кроме того, оно открывает возможность выбора между различными моделями наблюдаемой Вселенной. Теоретические рас­четы показывают, что характер зависимости величины красного смещения от расстояния целиком определяется структурой пространства. Если бы удалось выяснить из наблюдений, какова именно эта зависимость, мы могли бы получить ответ на многие волнующие вопросы. Для ближних к нам галактик величина красного смещения растет приблизительно пропорционально уве­личению расстояния, пли, как говорят математики, ли­нейно. Однако точные измерения величин красного сме­щения для более далеких галактик наталкиваются на целый ряд серьезных трудностей. Во-первых, трудно отделить красное смещение, связанное с расширением наблюдаемой Вселенной, от красного смещения, вызван­ного взаимными беспорядочными перемещениями звезд­ных систем друг относительно друга. Во-вторых, методы измерения расстояний до далеких галактик пока что не дают, к сожалению, той точности, которая необхо­дима. Все же к настоящему времени астрономам удалось собрать достаточно большой материал. Анализ его при­водит к выводу, что и для больших удалений линейная зависимость между величиной красного смещения и рас­стоянием сохраняется. Это, как показывают расчеты, во-первых, означает, что Метагалактика расширяется с за­медлением, а, во-вторых, что пространство в нашей об­ласти Вселенной не является евклидовым. В настоящее время, в особенности в связи с быстрым развитием радиоастрономии, точность межгалактических наблюдений быстро растет и, вероятно, уже в недалеком будущем проблема, о которой идет речь, получит точное решение. Существует еще один способ, позволяющий выяснить дальнейшую судьбу Метагалактики. Он состоит в оценке средней плотности межзвездного газа, заполняющего межгалактическое пространство. Если эта плотность вы­ше, чем 10 протонов на один кубический метр, то общее гравитационное поле Метагалактики достаточно вели­ко, чтобы постепенно остановить расширение. В этом случае расширение должно с течением времени неизбеж­но смениться сжатием. Существующие в настоящее время оценки плотности нейтрального водорода говорят о том, что эта плотность, по крайней мере, в миллион раз меньше критической. По это еще ничего не значит, так как основная масса меж­звездного газа может находиться в ионизованном со­стоянии. Исследовать же излучение ионизованного газа чрезвычайно сложно, так как энергия этого излучения намного слабее энергии общего космического радиошума и энергии излучения звезд. Подобные измерения—также дело будущего. Еще одна чрезвычайно интересная проблема, свя­занная с «расширяющейся Вселенной» — это вопрос о том, в каком состоянии находилась материя до начала расширения. В свете современных астрономических данных лет особых причин сомневаться в том, что это со­стояние было во всяком случае состоянием чрезвычайно высокой плотности. Поэтому ни общая теория относи­тельности, ни любая из разработанных моделей Вселен­ной, в том числе и модель Фридмана, для этой эпохи непригодны. Таким образом, когда мы в рамках теории относительности говорим о начале Метагалактики, то фактически имеется в виду тот момент, когда протома­терия достигла такого состояния, которое уже может быть описано уравнениями теории относительности. Поэтому на протяжении длительного времени астро­номы и физики пытались решить вопрос о физическом состоянии начального сверхплотного вещества путем соз­дания различных гипотез. Согласно одной из них перво­начальное вещество Метагалактики представляло собой «холодную» смесь протонов, т. е. ядер атомов водорода, электронов и нейтрино. Наоборот, другая гипотеза исходила из того, что в отдаленном прошлом, в эпоху сверхплотного состояния, температура была очень велика, а плотность излучения даже превосходила плотность вещества. Какой из гипотез следовало отдать предпочтение — «холодной» или «горячей»? Как и всегда, на этот вопрос могли ответить только наблюдения. По разве можно наблюдать события, происходившие около 10 млрд. лет назад (именно таков, согласно со­временным оценкам, срок, отделяющий нас от начала расширения Метагалактики)? Оказывается, в принципе подобная возможность существует. Ведь электромагнитные излучения распространяются со скоростью света. Следовательно, излучения, которые приходят на Землю с расстояний порядка 10 млрд. световых лег, относятся как раз к тем отдаленным временам, которые нас инте­ресуют. Однако до поры до времени возможность наблюде­ния первоначального или, как его теперь называют, реликтового излучения оставалась чисто теоретиче­ской. Как это часто бывает в науке, на помощь пришел случай. В 1965 г. американские радиофизики А. Пенцнас и Р. Вилсон производили на одном из крупных радиотеле­скопов наблюдения, связанные с разработкой системы связи при помощи искусственных спутников Земли. Неожиданно ученые обнаружили непонятный шумовой фон на волне 7,3 см. Они с большой тщательностью учли все возможные источники электромагнитного излучения в атмосфере Земли и в космосе (в том числе излучение всех известных звезд и галактик), но таинственный фон не исчезал. В поисках причин ученые даже демонтиро­вали радиотелескоп, с тем, чтобы устранить возможные погрешности в аппаратуре. По и после самой тщатель­ной проверки заново собранный инструмент показы­вал то же самое. К тому же оказалось, что таинственный радиошум совершенно не зависел от направления ан­тенны. Он шел равномерно со всех сторон. Мало того, его величина не зависела и от времени. Наблюдения велись на протяжении нескольких месяцев, и в течение всего этого срока она оставалась постоянной. Так было обнаружено реликтовое радиоизлучение, возникшее в эпоху начала   расширения  Метагалактики. Электромагнитные волны можно рассматривать как поток фотонов (элементарных порций излучения), как своеобразный «фотонный газ». Температура этого ре­ликтового «фотонного газа» оказалась равной трем гра­дусам абсолютной температуры (3° шкалы Кельвина — = 3°К). А это, согласно теоретических расчетам, означа­ет, что протоматерия должна была находиться в горячем состоянии. Но именно такую современную температуру реликтового излучения (от 1 до 10° К) предсказывала теория Гамопа. Согласно этой теории примерно около 10 млрд. лет назад плотность вещества была равна ядерной плотности. Это была горячая плазма, состоя­щая из элементарных частиц и фотонов (излучения). По мере расширения плотность вещества и его температура уменьшались, убывала и плотность излучения. Электро­магнитные волны как бы «растягивались» и превраща­лись в радиошумы. «Фотонный газ» постепенно охлаж­дался. Его современная температура, равная 3° К, как раз и свидетельствует о том, что протоматерия должна была находиться в горячем состоянии. Интересно отметить, что обнаружение реликтового излучения является независимым косвенным свидетель­ством  в  пользу теории  расширяющегося мира. Теперь представляется возможным, основываясь на законах, известных современной физике, попытаться представить ход событий па первых стадиях расширения Метагалактики. Уже через одну секунду после начала расширения сверхплотной исходной плазмы средняя плотность веще­ства снизилась примерно до 500 кг/см3, а температура составляла около 1013 градусов. При этих условиях атомных ядер еще не существовало, а па каждые пять протонов приходился только одни нейтрон. В течение следующих ста секунд плотность снизи­лась уже до 50 г/см3. Упала и температура. В резуль­тате объединения протонов и нейтронов появились ядра атомов гелия. В дальнейшем, до тех пор, пока температура превос­ходила 4000°, протоны и электроны продолжали суще­ствовать раздельно, не объединяясь в атомы. Эта ста­дия продолжалась несколько сотен тысяч лет. Что же касается последующего хода событий, то све­дения, которыми располагает современная наука, еще недостаточны для того, чтобы проследить его однознач­ным  образом. Возможно, что после того как образовались атомы водорода (т. е. водород сделался нейтральным), нача­лось постепенное формирование горячих, но уже срав­нительно менее плотных водородных облаков, из кото­рых па следующем этапе образовались галактики и звезды. Однако нельзя отбрасывать и другую возможность. В процессе расширения могли каким-то образом сохра­ниться устойчивые сгустки сверхплотного дозвездного вещества. Распад этих сгустков (который продолжается и до настоящего времени) и привел к образованию звезд и галактик. Не исключено также, что в той пли иной степени действовали оба механизма, о которых идет речь. Интересно, между прочим, отметить, что согласно данным современной радиоастрономии на расстоянии около 9 млрд. световых лет расположено очень большое число радиоисточников. Сопоставление ряда косвенных данных наводит на мысль о том, что наиболее интен­сивное образование космических радиоисточников проис­ходило в промежутке от полумиллиарда до миллиарда лет после начала расширения.