Хоча Фрідман відкрив лише одну, та насправді існує три види моделей, що підлягають його двом фундаментальним припущенням. У першій моделі (яку Фрідман і запропонував) Всесвіт розширюється досить повільно, так що гравітаційне притягання між різними галактиками спричинює сповільнення і зрештою припинення розширення. Потім галактики почнуть рухатись назустріч одна одній і Всесвіт стискатиметься. На рис. 3.2 показано, як з часом змінюється відстань між сусідніми галактиками. Вона зростає від нуля до певного максимуму, а потім знову зменшується до нуля. У другому виді розв’язку Всесвіт розширюється так швидко, що гравітаційне притягання не може його зупинити, хіба трохи сповільнить. На рис. 3.3 зображено, як віддаляються галактики в цій моделі. Відстань починається з нуля і врешті галактики віддаляються одна від одної з постійною швидкістю. Існує, зрештою, і третій вид розв’язку, коли Всесвіт розширюється тільки ледь швидше, ніж треба, щоб уникнути повторного колапсу. В цьому разі віддалення, показане на рис. 3.4, також починається з нуля, а продовжується вічно. Однак швидкість, з якою галактики віддаляються одна від одної стає все меншою, хоча ніколи не сягає нуля.
Рис. 3.2.
Рис. 3.3.
Рис. 3.4.
Модель Фрідмана першого виду примітна тим, що в ній Всесвіт не безкрайній у просторі, хоча простір не має ніякої межі. Гравітація така сильна, що простір вигнутий довкола самого себе, що робить його певною мірою схожим на земну поверхню. Якщо хтось подорожує у певному напрямку по земній поверхні, то ніколи не наштовхнеться на непрохідну перепону і не вивалиться через край, а зрештою прийде туди, звідки вийшов. У першому виді моделі Фрідмана простір такий же, однак з трьома вимірами замість двох як у разі земної поверхні. Четвертий вимір, час, теж має обмежену протяжність, але він подібний до лінії з двома кінцями, або межами, початком і кінцем. Пізніше ми побачимо, що коли поєднати загальну теорію відносності з квантовомеханічним принципом невизначеності, то, можливо, що і простір, і час скінчені, при цьому не мають ні країв, ні меж.
Ідея, що можна було б обійти колом Всесвіт і опинитись у вихідній точці, має успіх у науковій фантастиці, але не має якогось практичного значення, бо, як можна показати, Всесвіт реколапсує до нульового розміру раніше, ніж хтось зможе обійти його довкола. Вам треба було б рухатися швидше за світло, щоб попасти туди, звідки ви вийшли, перш ніж Всесвіт припинить своє існування — а це неможливо!
У першому виді моделі Фрідмана, коли Всесвіт розширюється і реколапсує, простір вигинається всередину себе, подібно до земної поверхні. З цього випливає, що він скінчений за розміром. На відміну від другого виду моделі, де Всесвіт розширюється вічно, і простір вигинається в інший бік, подібно до поверхні сідла. В цьому разі простір нескінченний. Нарешті, у третьому виді моделі Фрідмана, з критичною швидкістю розширення, простір плоский, а отже теж нескінченний.
Але яка з моделей Фрідмана описує наш Всесвіт? Чи він врешті перестане розширюватись і почне стискатися, чи буде розширюватися вічно? Щоб відповісти на це питання, ми повинні знати нинішню швидкість розширення Всесвіту та середню густину. Якщо густина менша за певне критичне значення, визначене швидкістю розширення, то гравітаційне притягання буде занадто слабке, щоб зупинити розширення. Якщо ж густина більша за критичне значення, гравітація в якийсь момент у майбутньому зупинить розширення і спричинить реколапс Всесвіту.
Нинішню швидкість розширення ми можемо визначити, і до того ж дуже точно, вимірявши швидкості, з якими інші галактики віддаляються від нас, використовуючи ефект Доплера. Проте відстані до галактик нам не дуже відомі, бо їх ми можемо виміряти тільки опосередковано. Тож усе, що нам відомо — Всесвіт розширюється на 5–10% кожен мільярд років. Однак наша невпевненість щодо теперішньої густини Всесвіту ще більша. Якщо додати маси всіх зір, що ми бачимо в нашій та інших галактиках, навіть для найнижчої оцінки швидкості розширення сума буде менша, ніж одна сота густини, необхідної, щоб зупинити розширення. Однак і наша, й інші галактики мають містити велику кількість «темної матерії», яку неможливо безпосередньо побачити, але ми знаємо, що вона має там бути, спостерігаючи вплив її гравітаційного притягання на орбіти зір у галактиках. Крім того, більшість галактик розташовані у скупченнях, і аналогічно ми можемо зробити висновок про наявність ще більшої кількості міжгалактичної «темної матерії» у цих скупченнях за впливом на рух галактик. Коли додати масу всієї цієї темної матерії, навіть тоді ми отримаємо лише близько однієї десятої від кількості, необхідної, щоб зупинити розширення. Проте ми допускаємо, що там може бути якась інша форма матерії, розподілена майже рівномірно по всьому Всесвіту, якої ми ще не виявили і яка ще може підвищити середню густину Всесвіту до критичного значення, необхідного, щоб зупинити розширення. Отже, наявні докази свідчать, що Всесвіт, певно, буде розширюватись вічно, але в одному ми можемо бути цілком впевнені: навіть якщо Всесвіт зазнає реколапсу, цього не станеться щонайменше в найближчі десять мільярдів років, бо принаймні приблизно стільки часу він розширюється. Але це не повинно нас надто хвилювати: на той час, якщо ми не переселимося за межі Сонцевої системи, людства вже давно не буде — воно згасне разом з нашим Сонцем!
Всі Фрідманові розв’язки мають ту особливість, що в якийсь момент у минулому (від десяти до двадцяти мільярдів років тому) відстань між сусідніми галактиками мала дорівнювати нулеві. В той момент, який ми називаємо Великим вибухом, густина Всесвіту та кривина простору-часу мали б бути нескінченні. Позаяк математика фактично не може мати справу з нескінченними числами, це означає, що загальна теорія відносності, на якій базуються розв’язки Фрідмана, передбачає існування точки у Всесвіті, в якій сама теорія не виконується. Така точка — приклад того, що математики називають сингулярністю. По суті, всі наші наукові теорії сформульовані на припущенні, що простір-час гладкі та майже плоскі, а тому вони не виконуються в сингулярності Великого вибуху, в якій кривина простору-часу нескінченна. Це означає, що навіть якби до Великого вибуху і відбувались якісь події, ніхто їх не зможе використати, щоб визначити, що станеться згодом, бо передбачуваність втратиться в момент Великого вибуху.
Відповідно, якщо ми знаємо лише те, що відбулося після Великого вибуху, то що трапилось до нього, ми визначити не зможемо. Що стосується нас, події до Великого вибуху не можуть мати жодного наслідку, тому вони не повинні бути частиною наукової моделі Всесвіту. Тож нам слід вилучити їх з цієї моделі і сказати, що відлік часу починається в момент Великого вибуху.
Багатьом людям не подобається ідея, що час має початок, певно, через те що вона наводить на думку про божественне втручання. (Католицька церква, з іншого боку, вхопилася за модель Великого вибуху й 1951 року офіційно проголосила її відповідною до Біблії.) Тому були спроби уникнути висновку, що Великий вибух відбувся. Пропозицію, що дістала найбільшу підтримку, названо теорією стаціонарного стану. Її запропонували 1948 року два біженці з окупованої нацистами Австрії, Герман Бонді та Томас Ґольд, та англієць Фред Гойл, який під час війни разом з ними працював над радарами. Ідея полягала в тому, що тоді як галактики віддалялись одна від одної, нові галактики постійно формувались у проміжках між ними з нової матерії, що постійно створювалась. Отже, Всесвіт виглядатиме приблизно однаково в усі часи і з усіх точок простору. Теорія стаціонарного стану потребувала модифікацій загальної теорії відносності, щоб уможливити постійне створення матерії, але необхідна швидкість була така низька (приблизно одна частинка на кубічний кілометр за рік), що вона не суперечила експериментові. Це була добра наукова теорія, в сенсі, описаному в розділі 1: проста та давала певні передбачення, які можна було перевірити через спостереження. Одним з цих передбачень було те, що кількість галактик або подібних об’єктів у будь-якому заданому об’ємі простору має бути однакова, хоч коли б і звідки у Всесвіті ми спостерігали. Наприкінці 1950-х — на початку 1960-х у Кембриджі група астрономів під керівництвом Мартина Райла (який також працював із Бонді, Ґольдом та Гойлом над радарами протягом війни) провела спостереження джерел радіохвиль з космосу. Ця кембридзька група показала, що більшість з цих радіоджерел має міститися за межами нашої Галактики (насправді багато з них можуть бути зідентифіковані як належні іншим галактикам), а також, що слабких джерел було набагато більше, ніж сильних. Вони пояснили це тим, що слабкі джерела віддаленіші, а сильні — ближчі до нас. Потім виявилося, що звичайних джерел в одиниці об’єму простору більше у віддалених областях, ніж у близьких. Це могло означати, що ми перебуваємо в центрі великої області Всесвіту, де джерел менше, ніж деінде. Або ж це може означати, що джерела були численніші у минулому, коли радіохвилі вирушили до нас, ніж тепер. Обидва пояснення суперечать передбаченням теорії стаціонарного стану. Крім того, відкриття мікрохвильового проміння Пенціясом та Вілсоном у 1965 році також показало, що Всесвіт мав бути набагато густіший у минулому. Тож від теорії стаціонарного стану довелося відмовитись.