Космологические модели вселенной модель пульсирующей вселенной

Космологические модели эволюции Вселенной

Космология — раздел современной астрономии, изучающий происхожде­ние, свойства и эволюцию Вселенной как единого целого. Физическая кос­мология занимается наблюдениями, которые дают информацию о Вселенной в целом, а теоретическая космология — разработкой моделей, которые долж­ны описывать наблюдаемые свойства Вселенной в математических терминах. Космология в самом широком смысле охватывает физику, астрономию, фи­лософию и теологию. Действительно, она стремится представить картину мира, объясняющую, почему Вселенная имеет именно те свойства, которые она имеет. Уже греческая космология стремилась построить математическую модель движения планет. Современная космология целиком базируется на законах физики и математических конструкциях.

Только в XX веке было выработано понимание Вселенной как единого целого. Первый важный шаг был сделан в 1920-х годах, когда ученые при­шли к выводу, что наша Галактика — одна из многих галактик, а Солнце — од­на из миллионов звезд Млечного Пути. Последующее изучение галактик по­казало, что они удаляются от Млечного Пути, причем чем дальше они нахо­дятся, тем больше скорость их удаления. Ученые осознали, что мы живем в расширяющейся Вселенной. Разбегание галактик происходит в соответствии с законом Хаббла, согласно которому красное смещение галактики пропор­ционально расстоянию до нее. Постоянная пропорциональности, называемая постоянной Хаббла, имеет значение в пределах 60-80 км/с на один Мегапар-сек (1 пк — 3,26 световых года) с погрешностью 20%. Согласно закону Хабб­ла, скорости разбегания удаленных галактик прямо пропорциональны их рас­стояниям от нас — наблюдателей. Темнота ночного неба обусловлена расши­рением Вселенной. Объяснение этого факта является очень важным космоло­гическим наблюдением. Появление в 1950-х годах радиоастрономии позво­лило установить, что большинство радиоисточников (например, квазары и радиогалактики) являются удаленными объектами. Поскольку вычисленные по красному смещению расстояния составляют значительную долю размеров Вселенной, радиоволнам и свету требуется сравнимый с возрастом Вселен­ной промежуток времени, чтобы достичь Земли. В силу этого, наблюдая сла­бые радиоисточники, исследователь видит ранние стадии эволюции Вселен­ной.

Все космологические теории (модели) включают постулат, согласно ко­торому во Вселенной нет выделенных точек и направлений, т. е. все точки и направления равноправны для любого наблюдателя. Обычно, также предпо­лагается, что законы физики и фундаментальные постоянные, в частности постоянная гравитации G, не меняются со временем. Пока нет фактов, указы­вающих на обратное. Общая теория относительности Эйнштейна — отправная точка для большинства космологических моделей. Космологические модели отличаются выбором двух значений — космологической постоянной Эйштейна и плотности, зависящей от количества вещества во Вселенной и от постоянной Хаббла.

В модели стационарной Вселенной, созданной английскими астронома­ми Ф. Хойлом и Г. Бонди и американским астрономом Т. Голдом, утвержда­ется, что Вселенная одинакова повсюду и в любое время для всех наблюда­телей. Для того чтобы привести эту модель в соответствие с наблюдаемым расширением Вселенной, Ф. Хойл постулировал непрерывное порождение нового вещества С-полем («творящим полем»), которое заполняет пустоты, остающиеся после разбегания уже существующих галактик. Однако модель Хойла-Бонди-Голда не согласовывалась с другими эмпирическими данны­ми, например с реликтовым излучением. Тем не менее эта модель дала суще­ственный толчок развитию теории ядерного синтеза в звездах, поскольку, ес­ли бы не было Большого Взрыва, тяжелые элементы могли образовываться только во взрывающихся звездах. Это положение теории, не связанное с вы­бором космологической модели, полностью осталось в силе.

Вселенная Фридмана — модель, в которой плотность и радиус Вселенной могут изменяться со временем, т. е. Вселенная находится в состоянии непре­рывного расширения или сжатия. Вселенная Фридмана может быть замкну­той, если плотность вещества в ней достаточно велика, чтобы остановить расширение. Этот факт привел к поиску так называемой недостающей массы, т. е. «темной» материи, заполняющей неизлучающие области Метагалактики. Еще в 1922-1924 годах российский математик А. А. Фридман на основе тео­рии относительности Эйнштейна доказал, что из-за действия сил тяготения материя во Вселенной не может находиться в покое — она нестационарна. Наиболее важным аргументом в пользу этой теории является открытие в 1965 году американскими физиками А. Пензиасом и Р. Уилсоном микровол­нового фонового излучения, эквивалентного излучению абсолютно черного тела с температурой 2,7 К (по Кельвину).

модель Вселенной, в которой она периоди­чески проходит циклы расширения и сжатия до так называемого Большого Хлопка (сдавливания). Каждый цикл сжатия сменяется следующим за ним очередным Большим Взрывом, открывающим новой цикл расширения, и так далее до бесконечности. Если такое происходит, то Вселенная является замк­нутой.

Перемешивающаяся Вселенная — хаотическая модель ранней Вселенной, в которой в результате гигантских конвульсий и колебаний свет «плавает» вокруг нее и способствует превращению неоднородной Вселенной в одно­родную. Установлено, что эта модель нежизнеспособна.

Открытая Вселенная — космологическая модель, в которой Вселенная представляется бесконечной в пространстве. Чтобы эта модель была спра­ведлива, расширение Вселенной должно продолжаться или замедляться, но не сменяться сжатием, как в моделях пульсирующей Вселенной. Для этого она должна содержать меньше вещества, чем необходимо для создания дос-таточно сильного гравитационного поля, способного прекратить ее расшире­ние. В настоящее время средняя плотность материи во Вселенной точно не определена, поэтому делать вывод в пользу той или иной модели рано.

Модель расширяющейся Вселенной — модель эволюции Вселенной, со­гласно которой она возникла в бесконечно плотном горячем состоянии и с тех пор расширяется. Это событие произошло от 13 до 20 млрд. лет назад и известно как Большой Взрыв. Теория Большого Взрыва теперь общепринята, так как она объясняет оба наиболее значительных факта космологии: расширяющуюся Вселенную и существование космического фонового излу­чения. Это реликтовое излучение первичного расширяющегося раскаленного шара было предсказано американским физиком русского происхождения Дж. Гамовым в 1948 году. Фоновое излучение было изучено на всех длинах волн от радио- до гамма-диапазона. В последние десятилетия большое вни­мание уделялось изотропии реликтового излучения, дающей информацию о самых ранних стадиях эволюции.

Можно воспользоваться известными законами физики и просчитать в обратном направлении все состояния, в которых находилась Вселенная, на­чиная с 10″ 43 с (квант времени) после Большого Взрыва. В течение первого миллиона лет вещество и энергия во Вселенной сформировали непрозрачную плазму, иногда называемую первичным огненным шаром. К концу этого пе­риода расширение Вселенной заставило температуру опуститься ниже 3000 К: наступила эпоха рекомбинации, т. е. вещество отделилось от излучения, так что протоны и электроны смогли объединяться, образуя атомы водорода. На этой стадии Вселенная стала прозрачной для излучения. Плотность веще­ства достигла значения выше, чем значение плотности излучения, хотя рань­ше ситуация была обратной, что и определяло скорость расширения Вселен­ной. Фоновое микроволновое излучение — все, что осталось от сильно охлаж­денного излучения ранней Вселенной. Первые галактики начали формиро­ваться из первичных облаков водорода и гелия только через один или два миллиарда лет. Термин «Большой Взрыв» может применяться к любой моде­ли расширяющейся Вселенной, которая в прошлом была горячей и плотной.

Особый класс моделей Большого Взрыва составляют инфляционные мо­дели, или модели раздувающейся Вселенной. В этих моделях на ранней ста­дии эволюции Вселенной присутствует конечный период ускоренного рас­ширения. При таких условиях высвободилось бы огромное количество энер­гии, содержащейся до этого в исходном физическом вакууме пространства-времени. В течение некоторого времени горизонт Вселенной расширялся бы со скоростью, намного превышающей скорость света. Эта теория способна удовлетворительно объяснить существующее расширение Вселенной и ее однородность, однако большинство физиков и космологов высказывают со­мнения в возможности осуществления движения со скоростью, превышаю­щей скорость света.

Исходя из представлений о единой природе четырех фундаментальных физических взаимодействий (гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого ядерных), определяющей их взаимоотношения на всех стадиях эволюции Вселенной, начиная с ! 970-х годов космологи и физики пытаются построить теорию великого объединения. Создание «Теории Всего», как ина­че называет этот грандиозный проект современной науки С. Хокинг 1 , в зна­чительной степени расширило бы наше понимание Вселенной и ее эволюции.

В настоящее время космология бурно развивается благодаря открытиям физики элементарных частиц и астрономическим наблюдениям различных объектов во Вселенной.

Источник

Теория пульсирующей вселенной

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 26 Апреля 2012 в 20:46, реферат

Краткое описание

Разумеется, не все ученые, согласные с моделью Большого взрыва, полагают, что Вселенная была сотворена из ничего деянием Бога. Кое-кто из них добросовестно искал альтернативы такому теистическому объяснению.

Вложенные файлы: 1 файл

танчик.docx

Возражения против теории Большого взрыва

Разумеется, не все ученые, согласные с моделью Большого взрыва, полагают, что Вселенная была сотворена из ничего деянием Бога. Кое-кто из них добросовестно искал альтернативы такому теистическому объяснению.

Теория пульсирующей Вселенной

Некоторые космологи отстаивают ту или иную разновидность теории пульсации, согласно которой Вселенная коллапсирует, а затем снова начинает расширяться, и так до бесконечности. Они предполагают, что существует достаточно материи для гравитационного стягивания, которое сожмет расширяющуюся Вселенную. Они усматривают в этом проявление пульсационного, циклического характера реальности, в духе представлений индуистской философии, где Вселенная проходит через бесконечные циклы существования.

Однако сторонники модели Большого взрыва отмечают, что данных в поддержку этого взгляда нет. Маловероятно, что общее количество материи достаточно, чтобы расширяющаяся Вселенная смогла коллапсировать хотя бы один раз. И даже если материи хватит на еще одно расширение, есть основания полагать, что такие циклы не смогут продолжаться вечно. Ведь, согласно твердо установленному Второму началу термодинамики, взрывной энергии для каждого последующего расширения будет оставаться меньше, чем было для предыдущего, пока Вселенная в конце концов не утратит возможность заново начинать расширение после коллапса. Пульсации, подобно подскокам прыгающего мячика, рано или поздно прекратятся, доказав, что ничто не вечно. Гипотеза пульсаций основана на ложной предпосылке, будто бы Вселенная на 100 процентов эффективна, что не соответствует действительности. Полезная энергия теряется в каждом из происходящих процессов.

С точки зрения логики и математики свидетельства в пользу Большого взрыва предполагают, что изначально не существовало ни пространства, ни времени, ни материи. Следовательно, даже если Вселенная начала с этого момента какие-либо циклы расширения и сжатия, в исходный момент она возникла из ничего. Таким образом, по-прежнему стоит вопрос о первоначальном Творце.

Плазменная космологическая модель

Ханнес Альфвен предложил плазменную космологическую модель, согласно которой Вселенная наполнена электрически заряженным газом, что косвенно порождает эффект отталкивания галактических суперкластеров друг от друга, приводящего к наблюдаемому расширению Вселенной. Однако это расширение не начинается с единичной исходной точки; происходит что-то вроде частичного Большого взрыва, а затем сжатие примерно до одной трети размера нынешней Вселенной. Далее вмешивается какой-то неизвестный нам эффект, заставляющий Вселенную снова раздуваться, тем самым поддерживая вечное равновесие. Этой умозрительной модели не хватает научных подтверждений. Подобно другим моделям расширения-сжатия, она противоречит Второму началу термодинамики. Не опираясь на какие-либо данные, она предполагает, что Вселенная никогда не деградирует, но неизменно утилизирует прежнюю энергию во всех ее формах. Ничто при этом не пропадает.

Сторонники плазменной модели признают, что не знают никаких сил, способных вызвать такое расширение Вселенной. Это просто теоретическая спекуляция, выстроенная на предпосылке о вечности Вселенной. Не может плазменная модель и объяснить присутствие во Вселенной гелия и легких изотопов, которые в таких количествах не могли бы быть синтезированы только в ходе термоядерных реакций в звездах. Объяснить это можно за счет Большого взрыва. Данная модель также не находит удовлетворительных объяснений для фонового микроволнового излучения, которое прекрасно вписывается в модель Большого взрыва. Согласно плазменной модели, общая масса материи должна быть намного больше. Но обнаружить ничего не удалось.

И наконец, плазменная модель ничего не может сказать о начале Вселенной. Популяризатор плазменной модели Эрик Лернер предложил в качестве «точки старта» для мироздания такое состояние Вселенной, когда она была «наполнена более-менее однородной водородной плазмой, смесью свободных электронов и протонов». [8] На вопрос, чем было порождено существование этой плазмы, он признал, что «мы, в сущности, не знаем, что это были за процессы». [8]

Бесконечное время Хокинга

Еще одной умозрительной альтернативой модели Большого взрыва стала гипотеза Стивена Хокинга о бесконечном времени, согласно которой Вселенная не имела начала. Однако это возрождение взглядов Альберта Эйнштейна подверглось той же самой критике, которая заставила самого Эйнштейна отказаться от подобных предположений. Это остроумнейшая теория, рухнувшая под напором тех же самых упрямых фактов, которые требуют вывода о том, что Вселенная все-таки имела начало. Да и сам Хокинг проводит различие между своим абстрактным математическим временем, не имеющим начала, и тем реальным временем, в котором мы живем и которое имеет свое начало. И даже Хокинг признает, что из факта существования такого начала вполне разумно сделать вывод о существовании и Творца.

Хокинг далее признает, что из его построений — даже если окажется, что они описывают реальную Вселенную — не может быть сделано никаких заключений относительно существования Бога. Он пишет: «Я не верю, что модель с отсутствием граничных точек может опровергнуть существование Бога; однако она способна изменить наши представления о природе Бога». По словам Хокинга, это просто покажет, что «мы не нуждаемся в том, чтобы кто-то зажег факел Вселенной». [9] Это, однако, не значит, что Бог останется не у дел, поскольку обеспечение существования Вселенной требует чего-то большего, нежели просто инициация первоначального Большого взрыва.

Ученые не могут предложить теорию, объясняющую, каким образом могла бы существовать бесконечная Вселенная. Как, например, может сочетаться представление о расширяющейся Вселенной с отсутствием каких- либо границ? Алан Гут, отец модели расширения, пришел к выводу, что построения Хокинга «наталкиваются на ту проблему, что до сих пор нет полной, законным образом сформулированной теории, в которую их можно было бы включить. То есть речь, фактически, идет о квантовой гравитации, а мы до сих пор не имеем законченной теории гравитации, в которой могли бы найти себе место эти идеи». [8]

Сам Эйнштейн не смог найти такие объяснения для своих уравнений общей теории относительности, при которых не требовался бы вывод о начале Вселенной и ее Зачинателе. Позднее Эйнштейн писал о своем желании «узнать, как Бог создал Вселенную». [10] В самом деле, даже Хокинг поднимает вопрос о том, кто же «вдыхает огонь жизни в эти уравнения» и устроил начальный взрыв Вселенной. [11]

Спонтанный выброс: без необходимости в причине

Некоторые атеисты утверждают, что никакой необходимости в причине для начала существования Вселенной нет. Они настаивают, что нет никакого противоречия в идее о спонтанном возникновении некоей сущности «из ничего». В качестве контраргументации следует отметить несколько моментов.

Во-первых, такие представления противоречат твердо установленному принципу причинности,который утверждает, что все существующее имеет свою причину. Действительно, даже скептик Дэвид Юм исповедовал свою веру в этот освященный временем принцип, воскликнув: «Никогда я не выдвигал такой абсурдной посылки, будто бы хоть что-то может появиться без причины». [12]

Во-вторых, это противоречит научному подходу, при котором стремятся подыскать причинные объяснения вещей. Фрэнсис Бэкон, отец современной науки, утверждал, что истинное знание — это «знание через причины». [ 13]

В-третьих, непосредственная интуиция отрицает веру в то, что вещи вдруг начинают существовать из ничего, сами по себе. Согласно нашему опыту, реальности такое не свойственно.

В-четвертых, идея о том, что ничто может произвести нечто, логически несостоятельна, так как «ничто» не в состоянии сделать что бы то ни было — ведь оно даже не существует. Как эта аксиома формулируется на латыни, ex nihilo nihil fit— «из ничего ничто не возникло».

В-пятых, если исследовать «ничто», из которого Вселенная якобы возникла без действия сверхъестественной причины, обнаруживается, что это, в сущности, не совсем «ничто». Айзек Азимов описывает это как некое состояние «существования», в котором имеется «энергия». [14] Это уже далеко не абсолютное «ничто». Даже с физической точки зрения это не настоящее «ничто». Эд Трайон, выдвинувший данную идею (в своей статье 1973 г. в журнале Nature), признавал эту проблему ответа на вопрос — как нечто сотворяется из чистого небытия? — поскольку для квантовых эффектов требуется нечто большее, чем «ничто»; для них требуется пространство, то есть такая сущность, которую физики сейчас строго отделяют от понятия «ничто». [15] Как отметил Фред Хойл, «физические свойства вакуума [то есть «пустоты», «ничего»] все равно будут востребованы, и окажется, что это уже есть нечто». [16] Более того, общая теория относительности показывает, что пространство нашей Вселенной не есть чистое «ничто». Как писал Эйнштейн, «не существует такой вещи, как пустое пространство, то есть пространство без поля. Пространство-время не претендует на существование само по себе, а только в качестве структурного свойства поля». [15] Как указывает космолог Пол Дэвиc, когда физик спрашивает, каким образом материя возникла из ничего, «это подразумевает не только вопрос «каким образом материя возникла из ничего?», но и вопрос «почему уже существовали пространство и время, так что из них смогла возникнуть материя?»». А специалист по космонавтике Джон Мазер отмечает: «У нас нет никаких уравнений, описывающих порождение пространства и времени. И сама эта концепция даже звучит на английском языке бессмысленно [. ] И я решительно не знаю ни одной работы, которая всерьез бы это объясняла, если невозможно даже сформулировать саму концепцию». [15] Джордж Смут, ведущий исследователь в программе спутника «СОВЕ», сказал: «Можно представить себе создание Вселенной почти что из ничего — не из ничего, но практически из ничего». [15] Итак, то «ничто», из которого, как полагают некоторые ученые, Вселенная могла возникнуть без действия сверхъестественной причины, не есть настоящее «ничто» — на самом деле это «нечто». Оно, по крайней мере, предполагает существование пространства и времени. Но до Большого взрыва не было ни пространства, ни времени, ни материи. Только сверхъестественная причина может «из ничего» создать «нечто».

Первое начало термодинамики

Многие астрономы, считающие, что Вселенная может быть вечной, в том числе Карл Саган, в подтверждение своих взглядов ссылаются на Первое начало термодинамики. Зачастую это начало, закон сохранения энергии, формулируют так: «энергия не может ни создаваться, ни уничтожаться». Если бы это было так, отсюда бы следовало, что мироздание (то есть общая сумма всей энергии) вечно.

Однако это неверное понимание Первого начала, которое следовало бы формулировать иным образом: «общее количество энергии во Вселенной остается постоянным». Такая формулировка основана на научных наблюдениях того, что происходит, а не на догматических философских утверждениях о том, что может и что не может произойти. В действительности не существует научных свидетельств того, что Вселенная вечна.

Второе начало термодинамики подтверждает, что Первое начало нельзя формулировать так, чтобы порождение энергии оказалось невозможным. Ведь Второе начало показывает, что никакой энергии и не было бы, если бы она не поступала в систему извне. Следовательно, не может существовать система, которая была бы идеальной, действительно полностью замкнутой.

Сказать, что энергия не может быть порождена, — означает строить порочный круг. Ведь это именно то, что требуется доказать. Результат обеспечивается благодаря подгонке исходного определения под заданный ответ — классический пример логической ошибки petitio principii, вывода из недоказанного утверждения.

Вечная бессобытийная Вселенная

Кое-кто полагает, что Большой взрыв стал лишь первым отклонением в существовании мироздания, до этого вечного. То есть Вселенная находилась в вечном покое вплоть до этого первого события. Сингулярный скачок Большого взрыва лишь ознаменовал переход от первичного физического состояния Вселенной. Следовательно, не возникает необходимости в Творце, из ничего создающем нечто.

Теисты отмечают, что ни один из известных законов природы не может иметь отношения к такому внезапному нарушению вечного покоя. Иногда также указывают, что вечно покоящаяся Вселенная физически невозможна, потому что она должна была бы существовать при температуре абсолютного нуля, которая недостижима. Материю в момент начала Вселенной никак нельзя было назвать холодной, так как она собралась в огненный шар с температурами, превышающими миллиарды градусов Кельвина. В скоплении материи, замороженной до абсолютного нуля, такое первичное событие просто не смогло бы произойти.

Источник