Main menu:

В чем смысл космологического принципа?

Что говорит космологический принцип о структуре пространства-времени? Поскольку ни одно из средних свойств распределения массы и импульса не выделяет преимущественного положения или направления в пространстве, пространственные и временные координаты событий, по-видимому, можно выбрать таким образом, чтобы, во-первых, средняя плотность р зависела лишь от временной координаты и, во-вторых, чтобы уравнение, которое выражает интервал собственного времени между двумя близкими событиями через разность координат и десять гравитационных потенциалов - обеспечивало равноправие точек в пространстве и направлений в каждой точке.

Простейшее выражение для пространственно-временного интервала, которое удовлетворяет этим требованиям, есть формула Минковского. Однако из уравнений поля Эйнштейна (дифференциальных уравнений, связывающих десять гравитационных потенциалов с десятью величинами, описывающими распределение энергии и импульса) вытекает, что плотность массы в пространстве-времени Минковского должна быть равна нулю. Таким образом, специальная теория относительности не в состоянии правильно описать равномерное неограниченное распределение гравитирующих частиц.

Возможно ли такое обобщение пространства-времени Минковского, которое одновременно удовлетворяло бы и уравнениям поля Эйнштейна и космологическому принципу? В 1917 г. Эйнштейн опубликовал теорию Вселенной, основанную на смелой и оригинальной гипотезе, предполагающей, что пространство, хотя оно однородно и изотропно, является замкнутым, т. е. представляет собой трехмерный аналог двумерной поверхности сферы. К сожалению, сама по себе эта идея не снимает отмеченной выше проблемы: уравнения поля по-прежнему не имеют решений ни при какой конечной плотности массы во Вселенной. Тогда Эйнштейн сделал шаг, который впоследствии назвал величайшей ошибкой в своей научной деятельности. Он ввел в свои уравнения поля добавочный член, что позволяло получить их решение при конечной плотности массы.

Пять лет спустя (в 1922 г.) Александр Фридман, советский физик-теоретик, работавший в области метеорологии, нашел более радикальный и в то же время более традиционный способ согласовать уравнения Эйнштейна с космологическим принципом при конечной величине плотности массы. Фридман показал, что уравнения поля в их первоначальной форме согласуются с космологическим принципом и предположением о конечной плотности массы во Вселенной, если пространство не является статическим. Это была поистине революционная идея. Сам Эйнштейн принял ее не сразу, и астрономы, по-видимому, не обращали на нее внимание до тех пор, пока Хаббл не обнаружил явления расширения Вселенной и не вывел зависимость скорость - расстояние. Это случилось через семь лет после публикации работы Фридмана, которая указывала на наличие подобной зависимости.