Main menu:

Космологический принцип

В статье «Космологическое обсуждение общей теории относительности», опубликованной в 1917 г., Эйнштейн постулировал, что ни одна из усредненных характеристик космической среды не выделяет преимущественного положения или преимущественного направления в пространстве. Эйнштейн назвал эту гипотезу космологическим принципом.

В космологическом принципе нашли свое отражение воззрения на Вселенную, которых придерживались Ньютон и Гюйгенс, а еще ранее - Джордано Бруно, Лукреций и древнегреческие атомисты в V в. до н. э. Эйнштейн понял, что этот принцип позволяет разрешить проблему, поставленную Махом, т. е. показать, что распределение массы во Вселенной и ее движение определяют локально инерциальные системы отсчета. В теории гравитации Эйнштейна структура пространства-времени и распределение энергии (массы) и импульса взаимозависимы, однако эта теория не утверждает, что распределение энергии и импульса определяет структуру пространства-времени. Рассмотрим, например, Вселенную, которая представляет собой точечную массу. Как известно, траектория пробной частицы, движущейся вокруг точечной массы, представляет собой медленно вращающийся (кеплеровский) эллипс. Но вращающийся относительно чего? Теория Эйнштейна отвечает на этот вопрос точно так же, как теория Ньютона, а именно: она утверждает, что изолированная точечная масса сама по себе не позволяет определить невращающуюся систему отсчета. Однако если распределение энергии и импульса удовлетворяет космологическому принципу, то открывается возможность дать строгое определение понятию «покоящаяся система отсчета» и указать, как такую систему отсчета выбрать. С точки зрения применения этот локальный стандарт покоя неотличим от абсолютного пространства Ньютона.

Космологи расходятся во мнениях относительно значения космологического принципа. Одни считают его лишь приближенным методом описания Вселенной, другие рассматривают как непреложный закон. Это различие во мнениях отражает более фундаментальные разногласия, касающиеся взаимосвязи космологии и физики. В физике имеется четкое различие между законами, которые выявляют устойчивые, математические закономерности, лежащие в основе природных явлений, и начальными условиями, которые отражают случайные, зависящие от обстоятельств аспекты природных явлений. Почти эллиптическая форма планетных орбит - неотъемлемая особенность строения Солнечной системы, поскольку такая форма орбит однозначно следует из закона всемирного тяготения Ньютона. Эксцентриситеты и наклонения орбит - случайные элементы. Закономерности в таких случайных элементах (орбиты планет по форме близки к окружностям и лежат почти в одной плоскости), по-видимому, обусловлены эволюционными процессами, которые не относятся к начальным условиям. Подобным образом некоторые космологи утверждают, что крупномасштабную однородность и изотропию наблюдаемой части Вселенной также следует объяснять особенностями эволюции, а не начальными условиями.

На это можно возразить, что условия, определяющие свойства Вселенной как целого, качественно отличаются от условий, которые обусловливают свойства обычных астрономических систем. Обстоятельства, под влиянием которых сформировались свойства отдельных звезд, несомненно, случайны. Мы не спрашиваем, например, почему масса Солнца равна 1,991×1033 г, а не 1,992 x1033 г. Статистические свойства звездной популяции, к которой относится Солнце, могут быть менее случайными.

Естественно предположить, что Вселенная в целом характеризуется определенной совокупностью статистических свойств, часть которых предсказуема по крайней мере в принципе, а остальные следует принимать за аксиомы, как и сами законы. Одной из таких аксиом считается космологический принцип, предполагающий, что сама Вселенная должна обладать той же пространственной симметрией, что и законы, которые описывают ее строение и эволюцию. По общему мнению, это слишком смелое допущение, но альтернативная гипотеза кажется не только спорной, но и невразумительной. Если рассматривать космологический принцип как приближенное описание доступной наблюдению части Вселенной, то что можно сказать о Вселенной в целом? Отказаться вообще делать какие-либо предположения - это значит отказаться от попыток интерпретировать результаты космологических наблюдений или понять связь между локально инерциальными системами отсчета и удаленным веществом. Предположить, что космологический принцип применим, но лишь как приближение к реальности, - значит предположить, что существуют преимущественные точки и направления. Подобное утверждение было бы еще более сильным допущением, чем космологический принцип, причем таким, которое не имеет никаких доказательств.

И наконец, в отличие от теории Ньютона теория гравитации Эйнштейна не есть только теория гравитационного взаимодействия. Это также теория пространства-времени, а следовательно, и Вселенной в целом.