Разбирая результаты реликтового излучения и наблюдений галактик, астрологи заключили , что распределение вещества во Вселенной (область исследуемого пространства превышала 100 Мпс в поперечнике) есть однородным и изотропным, т. е. не зависит от направления и положения в пространстве (см. Космология). А такие свойства пространства, в соответствии с теории относительности, неизбежно влекут за собой изменение со временем расстояний между телами, заполняющими Вселенную, т. е. Вселенная обязана расширяться либо сжиматься, причем наблюдения говорят о расширении.
Расширение Вселенной значительно отличается от простого расширения вещества, к примеру от расширения газа в цилиндре. Газ, расширяясь, изменяет положение поршня в цилиндре, но цилиндр наряду с этим остается неизменным. Во Вселенной же происходит расширение всего пространства как целого. Исходя из этого вопрос, в какую сторону происходит расширение, во Вселенной теряет суть. Такое расширение имеет место в больших масштабах. В пределах же звездных совокупностей, галактик, скоплений и сверхскоплений галактик расширения не происходит. Такие гравитационно связанные совокупности обособлены от общего расширения Вселенной.
Вывод о том, что Вселенная расширяется, подтверждают наблюдения красного смещения в спектрах галактик.
Пускай из некоей точки пространства в два момента отправляются световые сигналы, каковые наблюдаются в второй точке пространства.
Благодаря трансформации масштаба Вселенной, т. е. повышения расстояния между точками наблюдения света и испускания, второй сигнал обязан пройти большее расстояние, чем первый. А потому, что скорость света постоянна, второй сигнал запаздывает; промежуток между сигналами в точке наблюдений будет больше, чем в точке их отправления. Запаздывание тем больше, чем больше расстояние между наблюдателем и источником. Естественным эталоном частоты есть частота излучения при электромагнитных переходах в атомах. Благодаря обрисованного результата расширения Вселенной происходит уменьшение данной частоты. Так, при наблюдении спектра излучения какой-нибудь далекой галактики все его линии должны появляться смещенными в красную сторону если сравнивать с лабораторными спектрами. Это явление красного смещения является эффектом Доплера (см. Лучевая скорость) от обоюдного «разбегания» галактик и отмечается в конечном итоге.
Величина красного смещения измеряется отношением поменянной частоты излучения к начальной. Изменение частоты тем больше, чем больше расстояние до замечаемой галактики.
Так, измеряя по спектрам красное смещение, выясняется вероятным выяснить скорости v галактик, с которыми они удаляются от наблюдателя. Указанные скорости связаны с расстояниями г до наблюдателя законом Хаббла v = Hr; величина Н именуется постоянной Хаббла.
Правильное определение величины Н сопряжено с громадными трудностями. На базе долгих наблюдений на данный момент принята величина H ? (0,5?1) • 10-10 год-1.
Это значение Н соответствует повышению скорости разбегания галактик, равному примерно 50—100 км/с на любой мегапарсек расстояния.
Закон Хаббла разрешает оценивать расстояния до галактик, удаленных на огромные расстояния, по измеренному в их спектрах красному смещению линий.
Закон разбегания галактик выведен на базе наблюдений с Почвы (либо, возможно сообщить, из отечественной Галактики), и, так, он обрисовывает удаление галактик от Почвы (отечественной Галактики). Но из этого нельзя делать вывод, что именно Почва (отечественная Галактика) находится в центре расширения Вселенной. Несложные геометрические построения убеждают нас, что закон Хаббла честен для наблюдателя, находящегося в любой из галактик, участвующих в разбегании.
Закон расширения Хаббла показывает на то, что когда-то вещество во Вселенной пребывало в условиях больших плотностей. Время, отделяющее нас от этого состояния, возможно условно назвать возрастом Вселенной. Оно определяется величиной
tв—1/H ? (10?20)•109 лет.
Потому, что скорость света конечна, конечному возрасту Вселенной соответствует и конечная область Вселенной, которую мы можем замечать на данный момент. Наряду с этим самый удаленные замечаемые части Вселенной соответствуют самые ранним моментам ее эволюции. В эти моменты во Вселенной имели возможность рождаться и взаимодействовать многообразные элементарные частицы. Разбирая процессы, происходившие при участии таких частиц в первую секунду расширения Вселенной, теоретическая космологий находит на базе теории элементарных частиц ответы на вопросы, по какой причине во Вселенной нет антивещества а также по какой причине расширяется Вселенная.
Многие предсказания теории о физических процессах элементарных частиц относятся к области энергии, недостижимой в современных земных лабораторных условиях, к примеру на ускорителях. Но во время до первой секунды расширения Вселенной частицы с таковой энергией должны были существовать. Исходя из этого физики разглядывают расширяющуюся Вселенную как естественную лабораторию элементарных частиц.
В данной лаборатории возможно осуществлять «мысленные опыты», разбирать, как существование той либо другой частицы повлияло бы на физические процессы во Вселенной, как то либо иное предсказание теории проявилось бы в астрономических наблюдениях.
Теорию элементарных частиц завлекают к объяснению «скрытой массы» Вселенной. Дабы растолковать, как появились галактики, как они движутся в скоплениях галактик и многие другие особенности распределения видимого вещества, оказывается нужным высказать предположение, что более 80% массы Вселенной скрыто в форме невидимых слабовзаимодействующих частиц. В данной связи в космологии обширно обсуждаются нейтрино с ненулевой массой спокойствия, и новые гипотетические частицы.