Космологическая проблема. 
Связь между космологией и физикой высоких энергий. 
Экспериментальная проверка общей теории относительности. 
Гравитационные волны, их детектирование

Наиболее важная космологическая проблема физики — Большой взрыв. Сценарий развития Вселенной после Большого взрыва — это, пожалуй, самый интересный и в то же время многоплановый предмет космических исследований. Он привлекал к себе внимание всегда — ведь системы Аристотеля — Птолемея и Коперника — это тоже космологические теории. В рамках физики XX в. теоретическая космология создавалась благодаря работам А. Эйнштейна (1917), В. де Ситтера (1917), А. А. Фридмана (1922 и 1924 гг.), Ж. Леметра (1927) и многих других ученых. До конца 1940;х гг. все наблюдения, существенные с космологической точки зрения, велись в оптическом диапазоне. Тем не менее в 1929 г. американский астроном Эдвин Пауэлл Хаббл (1889—1953) открыл закон красного смещения и тем самым установил, что Метагалактика расширяется. Красное смещение справедливо связали с релятивистской моделью расширяющейся Вселенной Фридмана, но энергичное развитие космологии началось только после того, как в 1965 г. А. А. Пензиас и Р. В. Вильсон открыли реликтовое излучение с температурой Г = 2,7 К (см. гл. 22).

Модель расширяющейся Вселенной адекватно описывает состояния Вселенной спустя t = 10~³ с после Большого Взрыва. При периодах, меньших этого значения, мы вступаем в область математических гипотез, включающих инфляционное раздувание Вселенной и состояние сингулярности при t < 10^-35 с. Эти гипотезы составляют предмет только лишь начинающей формироваться квантовой космологии, или теории квантовой гравитации, которая базируется на релятивистских эффектах.

По наиболее распространенному мнению, Вселенная расширяется «однородно» и «изотропно». А что же будет дальше? Здесь мнения ученых расходятся. Имеется три варианта сценария. Один из них — Вселенная будет расширяться всегда; второй — Вселенная будет расширяться, затем остановится и перейдет в стационарное состояние; третий — после расширения Вселенная начнет сжиматься и снова придет к сингулярности. Далее, возможно, снова произойдет взрыв, и этот процесс будет циклическим. Развитие сценария зависит от массы Вселенной. Поэтому расчет этого параметра является главным вопросом космологии. Его решение, вообще говоря, возможно. Однако здесь имеются и многочисленные сложности. К ним относятся: определение массы покоя нейтрино, проблема темной материи, проблема суперсимметричных частиц.

Изучение процессов на ранних стадиях развития Вселенной оказалось тесно связанным с физикой элементарных частиц. Речь идет об области очень высоких энергий, о достижении которых иным способом не приходится и говорить. В космических лучах зафиксирована энергия до 3 • 10^й ГэВ, в то время как планковская энергия т_рс² составляет ~ 10¹⁹ Гэв. В теории Великого объединения фигурируют энергии до 10¹⁶ ГэВ (частицы с массой т ~ 10~⁸ г). Все это говорит о единстве физики!

Экспериментальная проверка ограниченности общей теории относительности (ОТО) — важная проблема современной науки. В настоящее время накоплено значительное число экспериментальных фактов, которые при существующей точности измерений могут быть объяснены с помощью этой теории. И поэтому ученых в первую очередь занимают те явления, которые не укладываются в рамки ОТО. Поэтому в дальнейшем будут в основном изучаться те объекты и процессы, где ОТО нарушается. Согласно современным воззрениям, это может происходить вблизи и внутри сверхмассивных космических тел, в окрестности черных дыр и сингулярностей и, вообще, в сверхсильных гравитационных полях.

Существование гравитационных волн представляется очевидным, если иметь в виду, что ОТО является обобщением ньютоновской теории всемирного тяготения, аналогичным переходу от электростатики к электродинамике. Под влиянием гравитационных волн твердые тела деформируются и начинают колебаться, а в системе свободных тел меняются взаимные расстояния. До настоящего времени, в первую очередь из-за крайней слабости гравитационного взаимодействия, гравитационные волны не обнаружены. Гравитационное взаимодействие много слабее остальных фундаментальных взаимодействий. Так, гравитационное притяжение двух протонов в 10³⁶ раз слабее их кулоновского отталкивания. Поэтому и светимость (мощность) гравитационного излучения тоже очень мала. Например, для двойной звезды, масса каждой из которой Mj ~ М₂ ~ М₀ = 2 • 10³³ г, а радиус орбиты равен радиусу земной орбиты (г = 1 а. е. = 1,5 • 10¹³ см), L_g составляет ~ 10¹⁹ эрг • с^-1, в то время как полное электромагнитное излучение Солнца: L₀ ~ 3,86 • 10³³ эрг • с¹.

Попытки обнаружить гравитационные волны продолжаются. Задача технически сложна, и для ее решения строятся гигантские установки, например гравитационно-волновая обсерватория LIGO (Laser interferometer gravitational-wave observatory, США). В 2002 г. она начала работы по детектированию (обнаружению) гравитационных волн. Их можно наблюдать в двойных звездных системах (столкновения и взаимодействия нейтронных звезд и черных дыр), при взрывах сверхновых звезд, вблизи пульсаров и в остатках гравитационного излучения, вызванного Большим взрывом. Теоретически обсерватория может исследовать и такие объекты, как космические струны. Отметим, что в этом проекте принимает участие научная группа В. Б. Брагинского.

В ближайшие годы вступят в строй аналогичные установки, строящиеся в Европе и Японии. Имеется, однако, косвенное подтверждение существования гравитационных волн. Если рассчитать энергию излучения двойных пульсаров, то образуется дефицит энергии. Предполагается, что это и есть энергия, излучаемая пульсаром в виде гравитационных волн (см. гл. 22).