Универсальность закона всемирного тяготения Ньютона получила подтверждение в работах Уильяма Гершеля[13] по исследованию двойных звёзд, вращающихся одна вокруг другой. Гершель наметил общую форму нашей Галактики, оценив её размеры, и сделал вывод, что она является одним из многочисленных звёздных «островов» во Вселенной.
Нестационарность расширяющейся Вселенной и теория Большого взрываПосле открытия Гершелем галактик одной из насущных проблем космогонии стала проблема расстояний до них. Первоначально для определения расстояний до галактик астрономы изучали в этих галактиках новые звёзды и цефеиды. Однако фундаментальному решению этой проблемы способствовало появление в XIX веке спектральных методов исследования. Её решил в 1920 году американский астроном Эдвин Хаббл[14], анализируя смещения спектральных линий далёких галактик. Он установил прямую пропорциональность красного смещения (смещения спектральных линий в сторону длинных волн) скорости удаления галактик, а также и расстояния до них (закон Хаббла). Этот закон является одним из фундаментальных законов астрономии. Он же с помощью наблюдений установил факт разбегания галактик. Оказалось, галактики удаляются со скоростями, пропорциональными их расстояниям от нас. Это означает, что если одна из них расположена от нас в сто раз дальше, чем другая, то она удаляется от нас в сто раз быстрее, чем первая.
Таким образом, Хабблом было установлено, что Вселенная не статична, а находится в состоянии расширения.
Сравнение расстояний, измеренных различными методами, подтвердило безукоризненную точность метода определения расстояний по величине красного смещения спектров звёзд. Современная астрофизика при определении расстояний пользуется в основном этим методом, особенно для самых далёких объектов, находящихся на «краю» Вселенной.
Современные крупные наземные и орбитальные телескопы способны прощупать край Вселенной, простирающийся почти до двадцати миллиардов световых лет, и измерить скорость самого далёкого, быстро удаляющегося объекта, приближающуюся к скорости света (300 ООО км/с), но не превышающую её. Блез Паскаль, блестяще опередив своё время, прекрасно сказал: «Не огромность мира вызывает восхищение, а человек, который измерил её».
Неоспоримый факт расширения Вселенной многими исследователями был принят в штыки. Долгое время упорно отвергал возможность расширения Вселенной Альберт Эйнштейн, так как это противоречило его теоретическим исследованиям.
Естественно, заманчиво «пустить» мысленно расширение Вселенной в обратном направлении и проследить эволюцию Вселенной во времени в прошлое (экстраполяция назад). Несмотря на то, что при этом возникает масса сомнений, такой подход создаёт некую полезную методическую наглядность в представлении возможной картины происхождения и эволюции Вселенной.
Тогда мы можем по измеренному расширению Вселенной (разбеганию галактик) прийти к тому, что примерно 20 миллиардов лет назад Вселенная была сосредоточена в малом сверхплотном теле и в результате его катастрофического взрыва образовалась наша Вселенная. Это — так называемая теория Большого взрыва. Впервые об этом догадался блестящий физик XX века Георгий Гамов. Этой теории отдаётся сейчас большее предпочтение, чем альтернативным теориям. Она действительно даёт сравнительно удовлетворительную схему для объяснения многого из того, что наблюдают астрономы. Итак, будем считать, как общепринято в научной литературе, что Вселенная (точнее её наблюдаемая часть — Метагалактика) возникла 20 миллиардов лет назад. Вначале она была невероятно горячей и плотной. Температура и давление были столь высоки, что она взорвалась, и осколки взрыва всё ещё разлетаются. Астрономы рассчитали подробные варианты развития Большого взрыва и в целом согласны с этой картиной, но всё ещё серьёзно расходятся в массе вопросов.
Многие до сих пор считают, и не безосновательно, что Вселенная имеет бесконечную историю, а её расширение, возможно, является просто иллюзией. Однако открытие в 1960-х годах реликтового излучения в известной степени подтвердило расширение Вселенной. В настоящее время современная физика пытается доказать гипотезу Большого взрыва.
Для наглядности процесс Большого взрыва делится на отдельные этапы — эры.
В первую мельчайшую долю секунды происходили флюктуации времени, вызванные тем, что физики называют квантовой природой мелких частиц. Что это такое, объяснить очень сложно, но смысл состоит в том, что если вы хотите оценить состояние вещества в момент, когда время точно соответствовало нулю, то вы ничего об этом сказать не можете, так что вопрос повисает в воздухе. К счастью, эта неразбериха продолжалась лишь очень короткий период (10-44 секунд). Мы ничего не можем сказать о Вселенной в это краткое мгновение. Этот, такой короткий период времени в начале Вселенной является первой из пяти эр, на которые мы можем разделить историю Вселенной. Первая эра хаоса была самой короткой и самой загадочной. Но сразу же после её окончания началась новая эра, названная эрой элементарных частиц — адронов. Этот период продолжался значительно дольше и проходил в условиях, которые астрофизики смогли рассчитать, понять и описать. Плотность вещества Вселенной в начале эры адронов составляла 1094 граммов на кубический сантиметр — невероятная, невообразимо высокая плотность. Можно вычислить и температуру в начале эры адронов, и результаты этих вычислений приводят к значению в 1033 градусов.
Элементарные частицы нельзя разделить на ещё меньшие. Физики открыли, что в природе существует множество разнообразных элементарных частиц и что при необычайно высоких температурах и плотности должно встречаться бесконечное количество их видов. Это ещё новая и плохо разработанная часть фундаментальной физики. К адронам относятся те частицы, которые сильно взаимодействуют друг с другом. Именно адроны представляли собой частицы, которые доминировали в первичном огненном шаре во время эры адронов, как по количеству, так и по активности. В течение периода распада адронов кванты излучения (фотоны) в первичном огненном шаре были фантастически энергичными, а по мере расширения теряли свою энергию, и температура упала до 1012 градусов. Плотность в конце эры адронов составляла 1014 г/см3. Весь период адронов был чрезвычайно мал: всё произошло за 1/10 000 секунды.
Следующий этап в истории Вселенной длился значительно больше — целых 10 секунд. Он называется эрой лептонов. Понятие лептонов объединяет электроны, как обычные отрицательные, так и положительные (позитроны) и другие менее тяжёлые частицы. В итоге во Вселенной осталось очень мало тяжёлых частиц, и существенной составляющей развивающейся Вселенной были по-прежнему высокоэнергичные фотоны. В конце десятой секунды температура упала в 100 раз до 10 миллиардов градусов. Плотность понизилась до 10 000 г/см3, а количество электронов, игравших в эту эру основную роль, стало примерно равным количеству нейтронов и протонов. Так наступил конец эры лептонов.
