Эйнштейн, который поначалу не соглашался с выкладками Фридмана, позднее признал свою неправоту и назвал космологическую постоянную, введенную в уравнения, своей самой большой ошибкой. В настоящее время, с появлением понятия темной энергии, ученые вернулись к этой постоянной. Возможно, она позволит объяснить сущность этого загадочного явления.
Следствием решения уравнений Фридмана могут быть три варианта. В первом варианте средняя плотность материи равна некоторой критической величине; Вселенная, которая поначалу была точкой, постоянно расширяется. Пространство в этой модели плоское, его можно описать геометрией Евклида (элементарной геометрией), и бесконечное. Расширение Вселенной будет вечным, но в бесконечном удалении его скорость будет приближаться к нулю.
Во второй модели плотность и излучение Вселенной меньше критических. Пространство в этом случае также будет бесконечно расширяться, это расширение никогда не закончится и не уменьшится; скорости удаления галактик не будут стремиться к нулю. Пространство в этой модели обладает кривизной и описывается геометрией Лобачевского: параллельные прямые в этом варианте Вселенной могут пересекаться.
Третье решение уравнений Фридмана приводит к модели Вселенной, где средняя плотность вещества больше критической. В этом случае расширение Вселенной, имеющее место в настоящий момент, когда-нибудь закончится и сменится сжатием, что в конечном итоге закончится сингулярной точкой (точкой с бесконечной плотностью и температурой). Это состояние, в противоположность Большому взрыву, называют Большим хрустом. Пространство третьей модели Вселенной, конечно, обладает положительной кривизной и по форме близко к трехмерной гиперсфере. Его закономерности описывает сферическая геометрия Римана: параллельные прямые в этом пространстве невозможны.
На сегодняшний день большая часть ученых считает наиболее вероятной первую модель Вселенной, так как средняя плотность вещества, по последним данным, меньше критической. Но вполне вероятно, что при исследованиях были учтены не все виды материи, и данные о плотности могут со временем измениться.
Для описания зарождения развития Вселенной была создана теория Большого взрыва. Согласно этой теории, Вселенная возникла из состояния космологической сингулярности: она была сжата в точку с бесконечной плотностью, ее размеры равнялись нулю. Что было до этого и почему произошел «взрыв» – неизвестно, математический аппарат теории Большого взрыва не позволяет рассмотреть состояние, предшествовавшее сингулярности.
Большой взрыв – это стремительное, практически мгновенное расширение пространства до бесконечности.
С первых мгновений своего существования Вселенная начала остывать и расширяться, этот процесс продолжается до сих пор. Концентрированная энергия постепенно преобразовалась в вещество, которое под действием закона тяготения и других сил сформировало все объекты Вселенной. По приблизительным расчетам астрономов, возраст нашей Вселенной составляет около 13 миллиардов лет.
Наибольшее распространение получила модель Вселенной, где теория Большого взрыва объединена с теорией горячей Вселенной. То есть температура в момент мгновенного расширения была очень высокой. Но существует и другая модель – холодного Большого взрыва. Согласно ее постулатам, расширение происходило при абсолютном нуле температуры.
Несмотря на то что теория Большого взрыва считается общепринятой, в ней имеется множество нерешенных вопросов и проблем. Для ответов на некоторые из них была создана инфляционная модель Вселенной. Она рассматривает очень короткий промежуток времени сразу после Большого взрыва, когда Вселенная расширялась гораздо быстрее, чем впоследствии. Согласно этой теории, на очень ранних стадиях своего существования Вселенная обладала полями, создающими инфляционное расширение.
В результате развития инфляционной модели появились так называемые «теории всего», или единые теории поля, – попытки объединить физику и математику и в нескольких формулах описать все мироздание. В первую очередь, должны быть описаны фундаментальные взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное ядерное (удерживающее элементарные частицы внутри атома) и слабое ядерное (проявляющееся в реакциях радиоактивного распада). Кроме того, в рамках «теории всего» необходимо объяснить существование всех элементарных частиц и построить теорию квантовой гравитации, объединяющую общую теорию относительности и квантовую механику.
