4. 2. 013 Расширяющаяся Вселенная Фридмана
4.2 Астрономия, космология
4.2.013 Расширяющаяся Вселенная Фридмана
Математик, механик, физик, геофизик, астроном, космолог, инженер, метеоролог, популяризатор теории относительности; профессор Пермского и Петроградского университетов; сотрудник Аэрологической обсерватории в Павловске под Петербургом; участник Первой мировой войны, летчик-наблюдатель, один из организаторов аэронавигационной и аэрологической службы на Северном и других фронтах; создатель и первый директор завода «Авиаприбор» в Москве; директор Главной геофизической обсерватории; главный редактор «Журнала геофизики и метеорологии»; лауреат премии им. В.И. Ленина (посмертно) — Александр Александрович Фридман (1888—1925) знаменит в мире как создатель теории нестационарной Вселенной, ставшей основным теоретическим развитием общей теории относительности А. Эйнштейна.
Один из важных разделов современной астрономии — космология — изучает свойства и эволюцию Вселенной в целом. Занимаются этой наукой математики, физики, астрономы, философы, богословы, а ее возникновение связано с жаждой человечества иметь полное описание Вселенной, в которой оно обитает.
По словам знаменитого астронома Э. Хаббла, «стремление к знаниям древнее истории. Оно не удовлетворено, его нельзя остановить». Из русских ученых наибольший вклад в развитие космологии внес А.А. Фридман. Собственно, с него и начался современный этап развития этой науки. Более того, научное сообщество считает открытие Фридманом расширяющейся Вселенной одним из великих интеллектуальных переворотов XX в.
Несколько слов об авторе этой теории.
Несмотря на то, что Фридман прожил всего 37 лет (он скончался от брюшного тифа в 1925 г.), Александр Александрович успел раскрыть в полную силу свой талант в нескольких науках.
Собраны еще не все публикации математика, разбросанные в редких изданиях и малодоступных журналах, тем не менее главные сочинения Фридмана можно сгруппировать по трем областям знания.
Во-первых, это фундаментальные труды ученого по физике атмосферы и по динамической метеорологии (геофизической гидродинамике). Разработав теорию атмосферных вихрей и порывистости ветра, теорию разрывов непрерывности в атмосфере, теорию атмосферной турбулентности, исследовав вертикальные течения и изменения температуры с высотой, выведя общее уравнение для определения вихря скорости, Фридман заложил основы теории изучения погоды и ее прогнозирования. Многие теоретические выводы математика нашли практическое применение в аэронавигации.
В другом важном направлении научной деятельности — гидромеханике и гидродинамике ученый исследовал кинематические свойства движения и вихри в сжимаемой жидкости, определил условия возможных движений этой жидкости при воздействии на нее определенных сил, построил основы статистической теории турбулентности и стал одним из создателей новой теории, изложенной в работе «Опыт гидромеханики сжимаемой жидкости» (1922).
Практическая метеорология и гидротехника из абстрактных уравнений в частных производных Фридмана по сию пору черпает нужные ей сведения.
И наконец, релятивистская космология. Устойчивый интерес к астрономии, проявленный Александром еще в школе, привел Фридмана к созданию космологической теории. Совмещая в начале 1920-х гг. работу в Главной физической обсерватории с преподаванием в ряде Петроградских вузов, математик увлекся общей теорией относительности (ОТО), обнародованной А. Эйнштейном в 1915—1916 гг., — одной из многочисленных теорий гравитации.
Эйнштейн, базируясь на работах своих предшественников, начиная с неэвклидовой геометрии Н.И. Лобачевского, рассмотрел гравитацию как проявление искривления пространства-времени, т.е. как некий геометрический эффект и отождествил гравитационное поле (поле тяготения) с тензорным метрическим полем или метрикой четырехмерного пространства-времени. Свои уравнения физик распространил и на описание Вселенной.
Несмотря на ряд революционных идей, Эйнштейн был верен традиционному представлению о стационарности Вселенной. Для этого ученый специально внес в уравнения т.н. космологическую постоянную — «антигравитационную» силу, которой он наделил структуру пространства-времени.
По мысли Эйнштейна, такой подход примирял непрерывное расширение пространства-времени (уравновешиваемое притяжением всей остальной материи) с вечностью и неизменностью Вселенной в пространстве и во времени. Однако получить стационарное решение уравнений ОТО Эйнштейну не удалось.
Фридман, став одним из первых апологетов и популяризаторов ОТО в нашей стране, тем не менее критически отнесся к идее стационарности Вселенной. Предположив, что Вселенная изотропна — т.е. одинакова в любом из наблюдаемых направлений, даже в случае наблюдений «со стороны», ученый предложил нестационарное решение уравнений ОТО, согласно которому Вселенная расширяется.
Основополагающий вывод новой концепции сводился к «началу времен» — к тому моменту, когда Вселенная имела ничтожно малый объем с бесконечной плотностью вещества. Тем самым Фридман доказал несостоятельность воззрений «отца» ОТО и использования им космологической постоянной.
Поначалу Эйнштейн резко возражал против теории русского ученого, пытался найти в ней противоречия, но, в конце концов, вынужден был признать ее справедливость.
Интерпретаторы теории расширяющейся Вселенной любят уподоблять модель Фридмана с разбегающимися друг от друга галактиками с надуваемым шариком, на котором нанесены точки. При надувании отрезки между любыми двумя точками увеличиваются, хотя ни одна из точек и не является центром расширения. Чем больше расстояние между точками, тем быстрее они разбегаются.
Этот теоретический вывод был подтвержден в 1929 г. открытием американского ученого Э. Хаббла т.н. красного смещения света от отдаленных галактик, свидетельствующего об их удалении от нашей галактики со скоростью, которая пропорциональна их расстоянию от нас.
Астрофизик католический священник Ж. Леметр, не зная о работах Фридмана, объединил ОТО с данными Хаббла и также пришел к выводу, что Вселенная расширяется во времени из состояния «первичного атома», из состояния т.н. «Большого Взрыва».
Нестационарная Вселенная до 1960-х гг. называлась именем бельгийского аббата, а после того, как из забвения было вызвано имя основоположника релятивистской космологии Фридмана получило имя модели Фридмана-Леметра.
В 1946—1956 гг. ученик Фридмана советский и американский физик-теоретик Г.А. Гамов уточнил концепцию «Большого взрыва и расширяющейся Вселенной»: предложил модель «горячей Вселенной» и разработал теорию образования химических элементов путем последовательного нейтронного захвата — нуклеосинтеза. В рамках этой теории было предсказано существование фонового микроволнового (реликтового) излучения, открытого в 1965 г.
P.S. По прочтении статьи у читателей возникли некоторые вопросы и предложения.
В теории расширения Вселенной заложен парадокс, который ставит Землю в Центр Вселенной. «Чем ни дальше от «НАС» находится объект тем у него большее смещение спектр. линий в сторону красного спектра.
НО почему от нас ,МЫ что «ПУП» Вселенной. (Никола Новиков).
Никакого парадокса нет: при наблюдении из ЛЮБОЙ точки вселенная будет (в больших масштабах) выглядеть одинаково. И выделенного центра как не было, так и нет.
Мне кажется, что можно внести уточнения.
1. Фридман вовсе не создал теории расширяющейся вселенной. Он лишь нашел решения для ОТО применительно к вселенной и показал, что они нестационарны, вселенная «обязана» либо расширяться, либо сжиматься.
2. Эйнштейн первоначально посчитал результаты Фридмана ошибочными, о чем и сообщил в одной из своих статей. Позже он признал правоту Фридмана и публично в научной периодике сообщил об этом.
3. Попытка ввести лямбда-член в уравнения ОТО была попыткой «спасти мир» и делалась именно под влиянием впечатления от результатов Фридмана.
4. Работы Гамова вовсе не являются развитием работ Эйнштейна или Фридмана: его результаты, если не ошибаюсь, могли быть получены на основе классических представлений, не прибегая к ОТО. Главное в них — «начальные условия», в результате которых реализовался тот мир, в котором и живем.
. Такие люди, как Фридман, заслуживают того, чтобы о них знали. тем более, что Фридман — наш соотечественник, фигура не только колоссального масштаба, но и трагическая в чем-то. (Алексей Степанов 5).
Источник
Кто сказал изотропная вселенная может вести себя как осциллятор либо расширяться либо сжиматься
Астрономия не только увлекательна, но и в высшей степени поучительна. Она была одной из первых наук, возникших на заре человечества, и всегда оставалась на передовой линии фронта познания природы.
Современная астрономическая наука развивается особенно бурно. Благодаря появлению новых средств исследования, от радиотелескопов до разного рода космических аппаратов, приток информации из космоса резко увеличился и открытия в области изучения Вселенной следуют буквально одно за другим.
Открытия эти представляют особый интерес, так как астрономия дает нам фундаментальные знания о природе, т. е. раскрывает наиболее глубокие общие закономерности строения и движения материи.
Однако астрономия не только вооружает нас современными представлениями о картине мира, но и являет собой один из ярчайших примеров диалектического характера процесса познания окружающей нас природы, движения от относительных истин к абсолютной.
Задача настоящей книги состоит не только в том, чтобы сообщить читателю ряд занимательных астрономических фактов, но и в том, чтобы познакомить его с диалектикой развития научной мысли, убедить, что современная эпоха требует творческого динамичного мышления, свободного от предвзятости, требует новых оригинальных идей.
Однако любое новое в науке, каким бы оригинальным оно ни казалось, всегда в конечном счете так или иначе вырастает на фундаменте прежнего знания. Нечто общее есть и в методах решения различных научных задач, хотя сама по себе любая научная задача неповторима.
В связи с этим значительная часть книги посвящена рассмотрению тех фактов и представлений, которые с точки зрения современной астрономической науки считаются достаточно надежно установленными.
Вместе с тем в современной астрономии есть немало проблем, которые еще не получили достаточно удовлетворительного ответа. В связи с этим в науке обсуждаются различные гипотезы, иногда довольно экстравагантные. И, вероятно, какая-то их часть в процессе дальнейшего развития наших знаний о Вселенной окажется отброшенной. Но без гипотез, т. е. научных предположений, которые еще не доказаны, но и не опровергнуты, астрономам не обойтись. Тем более, что, вне всякого сомнения, эта наука и в ближайшие годы будет бурно развиваться и ей придется осмысливать все новые и новые факты. Гипотеза — необходимая форма развития естествознания.
Поэтому в настоящей книге наряду с твердо установленными фактами освещаются и некоторые наиболее интересные гипотезы, связанные с изучением Вселенной.
В. И. Ленин говорил: «Ум человеческий открыл много диковинного в природе и откроет еще больше, увеличивая тем свою власть над ней»[1].
В современной астрономии происходит процесс, который с особенной силой еще раньше развернулся в физике. Представления науки о Вселенной становятся все более абстрактными, все менее и менее наглядными, все более трудными для восприятия.
Поэтому автор решил прибегнуть к несколько необычному для научно-популярной литературы приему — к помощи научной фантастики. К числу ее положительных качеств относится способность придавать самым отвлеченным идеям вещественность и наглядность.
С помощью фантастики автор стремится привлечь к некоторым проблемам современной астрономии особое внимание читателей, оживить эти проблемы, сделать их более выпуклыми и тем самым облегчить их восприятие.
Автор надеется, что его замысел найдет отклик у читателя.
Глава первая. ЗАНИМАТЕЛЬНОЕ И АСТРОНОМИЯ
Все начинается… с отрицания
Есть немало книг, у которых в заглавии эти два слова стоят рядом: «Занимательная астрономия», «Занимательное в астрономии», «Занимательно об астрономии».
Названия менялись. Развивалась астрономия, возрастал уровень знаний, и то, что вчера казалось удивительным, сегодня становилось не только общеизвестным, но и само собой разумеющимся, изменялось и само представление о занимательности.
Величайшая революция в естествознании на рубеже XIX и XX столетий, появление таких принципиально новых физических теорий, как теория относительности и квантовая механика, не только значительно расширили научные представления о мире, но и во многом изменили стиль научного мышления, подход к изучению явлений природы.
Все чаще совершаются неожиданные открытия, в особенности в физике и астрономии, открытия, которые заставляют во многом пересматривать привычные представления, открывают новые стороны явлений, существенно расширяют и углубляют наши представления о мире.
Разумеется, это вовсе не означает, что наука недалекого будущего начисто опровергнет все наши современные знания. Ожидать чего-либо подобного было бы просто нелепо. Естествознание достигло величайших успехов в познании природы, открыло многие фундаментальные законы, нашедшие немало практических приложений. Это — золотой фонд, который при любых «научных переворотах» сохранит свое значение. Конечно, наука движется вперед, но в этом движении она прежде всего опирается на всю сумму достигнутых знаний. И если даже в науке происходят революции и утверждаются принципиально новые представления, все равно прежние фундаментальные теории входят в них в качестве составных частей и остаются справедливыми для определенного круга явлений и условий.
И все же развитие современной науки во многом связано с необычным. Необычные идеи, идущие вразрез с установившимися взглядами, необычная постановка вопроса, необычный взгляд на обычное, необычный подход к решению той или иной проблемы; сопоставление, казалось бы, несопоставимых вещей; необычный вывод из давно известных данных; наконец, новые факты, противоречащие установившимся, ставшим привычными представлениям.
Заглянем в «Большую советскую энциклопедию». Мы обнаружим, что парадоксом называется какое-либо явление или высказывание, противоречащее общепринятым представлениям или даже здравому смыслу.
Парадоксы бывают разные. Одни из них отражают действительное положение вещей, другие — лишь кажущиеся противоречия. Но так или иначе, парадокс — это прежде всего противоречие.
Одно из действующих лиц известной комедии английского писателя Оскара Уайльда «Идеальный муж», лорд Кавершем, по ходу пьесы много раз повторяет одну и ту же сакраментальную фразу:
— Парадокс? — Терпеть не могу парадоксов.
Догадаться, почему парадоксы навлекли на себя столь упорную неприязнь почтенного лорда, не так уж трудно. Ведь всякое противоречие неизбежно разрушает привычный строй мыслей, требует, чтобы в нем разобрались… Оскар Уайльд в лице лорда Кавершема высмеял упрямый традиционизм и консервативность мышления известной части английского дворянства, не желавшего утруждать себя раздумьями и предпочитавшего отмахиваться от всего неясного и непривычного.
Между тем отмахнуться от парадоксов не так-то просто, потому что с ними приходится встречаться буквально во всех областях человеческой деятельности.
Существуют, например, занятные парадоксы — рассуждения, противоречащие общепринятому мнению и потому в первый момент вызывающие удивление и поражающие воображение. Разве не парадоксальна, скажем, такая пословица: «Тише едешь — дальше будешь»?
И нужны определенные усилия, чтобы понять, какой смысл открывается в этом противоречивом утверждении. А он есть…
Весьма любопытны логические парадоксу — рассуждения вполне строгие, но ведущие к внутренне противоречивым выводам, относительно которых никак нельзя сказать, истинны они или ложны, — так называемые софизмы. Софизмы были знакомы еще мудрецам древнегреческой философии.
Один человек заявил: «Все, что я говорю, — ложь!» Но отсюда следует, что он солгал и в данном случае. А это, в свою очередь, означает, что он сказал правду. Но если сказанное этим человеком — правда, значит, он солгал… и т. д.
Источник