Современные космологические модели Вселенной
В классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.
Классическая ньютоновская космология явно или неявно принимала следующие постулаты:
· Вселенная — это всесуществующая, «мир в целом». Космология познает мир таким, как он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания.
· Пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов.
· Пространство и время метрически бесконечны.
· Пространство и время однородны и изотропны.
· Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.
Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Ее свойства как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретно-физическими факторами. Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности. Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана самим Л. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства и времени. В соответствии с космологической моде лью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием.
Эта модель казалась в то время вполне удовлетворительной, поскольку она согласовывалась со всеми известными фактами. Но новые идеи, выдвинутые А. Эйнштейном, стимулировали дальнейшее исследование, и вскоре подход к проблеме решительно изменился.
В том же 1917 г. голландский астроном В. де Ситтер предложил другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае «пустой» Вселенной, свободной oт материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода космическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга и растворить всю систему. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.
В 1922 г. российский математик и геофизик Л. А. Фридман о (бросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и дал принятое в настоящее время решение космологической проблемы.
Решение уравнений А. А. Фридмана, допускает три возможности. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и так же неограниченно расширяется. И, наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния. По современным данным, средняя плотность материи во Вселенной меньше критической, так что более вероятной считается модель Лобачевского, т. е. пространственно бесконечная расширяющаяся Вселенная. Не исключено, что некоторые виды материи, которые имеют большое значение для величины средней плотности, пока остаются неучтенными. В связи с этим делать окончательные выводы о конечности или бесконечности Вселенной пока преждевременно.
Расширение Вселенной считается научно установленным фактом. Первым к поискам данных о движении спиральных галактик обратился В. де Ситтер. Обнаружение эффекта Доплера, свидетельствовавшего об удалении галактик, дало толчок дальнейшим теоретическим исследованиям и новым улучшенным измерениям расстояний и скоростей спиральных туманностей.
В 1929 г. американский астроном Э. П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию,— система галактик расширяется.
Но то, что в настоящее время Вселенная расширяется, еще не позволяет однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели.
Всякая наука описывает
Некую область реальнос
ТИ. Однако, Сама реаль
Ность — ШИРЕ, Нежели вся
Кая наука, Которой всег
Да предшествует ненауч
Ное воззрение, Содержа
Щее в себе идею подхода
К реальности, В плане
Опосредования оной, ЯВ
Ляющейся до тех пор пол
Ной для нас неизвестностью
Фридман рассматривает различные варианты Вселенных переменного типа, в том числе: радиус кривизны мира, начиная с некоторого значения, постоянно возрастает с течением времени; радиус кривизны меняется периодически, Вселенная сжимается в точку (в ничто), затем, снова из точки, доводит радиус свой до некоторого значения, далее опять, уменьшая радиус своей кривизны, обращается в точку и т. Д. Идеи автора основаны на двух упрощающих предположениях. Первое — относительные скорости тяготеющих масс считаются равными нулю, тяготеющие массы считаются неподвижными. Второе — геометрия мира обладает свойством давать пространства (гиперповерхности), в которых кривизна в любой их точке одинакова и меняется лишь с течением времени. Математическое доказательство построено на координате времени, которое принимает различные значения, в том числе и равное нулю, что обращает в нуль (в точку) радиус мира и гравитационные потенциалы. По существу Фридман рассматривал лишь возможные модели изменения Вселенной за счет времени. Акцент в работе ставился на пульсирующую Вселенную. Он не создавал и не обосновывал гипотезы расширяющейся Вселенной, что иногда пытаются приписать ему.
Предполагая поверхность с постоянным радиусом кривизны, легкомысленно убеждать остальных, что это будет не замкнутая поверхность, что одной метрики не достаточно для доказательства. И рассмотренный им пример — не факт для подобного утверждения.
Слабость изложенной идеи (увеличение /уменьшение объема Вселенной) в том, что Фридман не назвал физическую природу того, что претерпевает изменение и почему должен происходить этот процесс.
Он постулирует скорости тяготеющих масс равными нулю, после чего стягивает материю в точку, а затем разворачивает из точки до размеров не имеющих границ, противореча данному постулату.
Автор произвольно трактует время, суть которого не установили ни ранее, ни он в своей работе или кто-либо позднее.
Он без доказательства направил его в обратное направление (к нулю); отнял индивидуальность у материи, отделив ее от пространства, поставив существование в прямую зависимость от наличия времени. Фридман признает слабость своих аргументов: «. предположение не имеет, как мне кажется, в основе своей каких-либо физических или философских соображений и вводится исключительно в целях упрощения вычислений».
Попытка следовать сказанию индусской мифологии и «сотворить мир из ничего» не состоялась. Прежде чем поставить «ничто» в начале всего, нужно знать как оно творит из «ничего». Главный недостаток современных представлений — отсутствие философского наполнения идей. Возражать существующим космологическим гипотезам можно долго, но это было бы утомительно. А если коротко, то авторы изобретений не знают свойств первичной материи, как происходит эволюционный процесс и образование форм; руководствуются постулатами, которые не подтверждены опытом; шарахаются между беспредельной и ограниченной Вселенной. От не имеющих знания об архитектуре строения, ожидать создания работоспособной конструкции, — наивно. Все, что ранее они предположили, можно сказать, было гаданием на кофейной гуще и не больше того.
Источник
Современные космологические модели Вселенной
Никакой глобальной эволюционной теории развития Вселенной до ХХ века не существовало, поскольку классическое естествознание ориентировалось преимущественно на изучение не динамики, а статики систем. В классической науке существовала так называемая теориястационарногосостоянии Вселенной,согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации. Однако вопрос об эволюции Вселенной не ставился.
Классическая ньютоновская космология явно или неявно принимала следующие постулаты:
· Вселенная — это «мир в целом». Космология познает мир таким, как он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания.
· Пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов.
· Пространство и время метрически бесконечны.
· Пространство и время однородны и изотропны.
· Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, ноне мир в целом.
Однако в ньютоновской космологии возникали два парадокса, связанные с постулатом бесконечности Вселенной.
Первый парадокс получил название гравитационного: если Вселенная бесконечна и ней существует бесконечное количество небесных тел, то сила тяготения будет бесконечно большой, и Вселенная должна сколлапсировать, а не существовать вечно.
Второй парадокс называется фотометрическим: если существует бесконечное количество небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, что не наблюдается.
Эти парадоксы оказались неразрешимыми в рамках ньютоновской космологии.
Современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Такие модели опираются на основное уравнение тяготения, введенное А. Эйнштейном в общей теории относительности. Это уравнение имеет не одно, а несколько решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной.
Первая космологическая модель была разработана самим Л. Эйнштейном в 1917 г. В соответствии с этой моделью мировое пространство однородно и изотропно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве. Эта модель казалась в то время вполне удовлетворительной, поскольку она согласовывалась со всеми известными фактами.
Другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения, в том же 1917 г. предложил голландский астроном Виллем де Ситтер. Это решение существовало бы даже в случае «пустой» Вселенной, свободной от материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решение переставало быть стационарным: возникало космическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга и растворить всю систему.
В 1922 г. русский математик и геофизик А. А. Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решения уравнений Эйнштейна, описывающее Вселенную с «расширяющимся» пространством.
Предложенные А. А. Фридманом решениядопускают три возможности.
· Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине (ρ = 10 -29 г/см 3 ), мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния.
· Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и также неограниченно расширяется.
· И, наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния.
Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной неизвестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этих пространств Вселенной живем.
В 1929 г. американский астроном Эдвин П. Хаббл (1889 — 1953) установил, что свет, идущий от далеких галактик, смещается в сторону красного конца спектра. Это явление, получившее название красного смещения, согласно эффекту Доплера, свидетельствовало об удалении галактик от наблюдателя. Таким образом, расширение Вселенной считается научно установленным фактом, однако однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели в настоящее время не представляется возможным.
Общим для решения этих моделей является представление о нестационарном, изотропном и однородном характере ее моделей.
Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться в статическом, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься.
Изотропность указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек и направлений, то есть ее свойства не зависят от направления.
Однородность характеризует равномерное в среднем распределение вещества во Вселенной.
Перечисленные утверждения часто называют космологическими постулатами. К нему добавляют также правдоподобное требование об отсутствии во Вселенной сил, препятствующих силам тяготения. При таких предположениях космологические модели оказываются наиболее простыми.
Проблема происхождения и эволюции Вселенной. Ныне очевидно, что наша Вселенная эволюционирует. В 1927 г. бельгийский аббат и ученый Ж. Леметр ввел понятие начала Вселенной как сингулярности (т.е. сверхплотного состояния). Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра, в сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров: радиус Вселенной составлял 10 -12 см, что близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность – 10 96 г/см 3 . От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва.
Начиная с конца 40-х гг. ХХ века все большее внимание в космологии привлекает физика процессов на разных этапах космологического расширения. Ученик А.А. Фридмана Г.А. Гамов разработал модель горячей Вселенной, рассматривая ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной, и назвал ее «космологией Большого взрыва».Такая модель «горячей» Вселенной впоследствии была названа стандартной.
Стандартная модель «большого взрыва» опирается на следующие данные:
· во-первых, на эмпирические факты внегалактической астрономии о непрерывном удалении наиболее далеких от нас галактик;
· во-вторых, на открытие в 1965 г. микроволнового излучения, названного впоследствии реликтовым, поскольку оно несет информацию о ранней истории Вселенной;
· в-третьих, на постулат о разрушении симметрий между микрочастицами, с одной стороны, и силами, действующими между ними, с другой.
О состоянии Вселенная до взрыва никаких надежных данных пока не существует. Высказываются лишь некоторые предположения и гипотезы. Поэтому в стандартной модели предполагается, что первоначально Вселенная могла состоять из электронов, позитронов и фотонов, а также нейтрино и антинейтрино. В настоящее время популярной становится кварковая модель в силу того, что эти гипотетические частицы считаются теперь основой для построения существующих элементарных частиц. Относительно более надежными являются представления об эволюции Вселенной после взрыва и начавшегося её расширения.
Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13 – 20 млрд. лет. Г. А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной, что содействовало образованию химических элементов и космологических структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюции Вселенной делят на «эры».
Эра адронов (тяжелых частиц, вступающих в сильные взаимодействия). Продолжительность эры — 0,0001 с, температура — 10 12 градусов по Кельвину, плотность — 10 14 г/см 3 . В конце эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов, гиперонов, мезонов. В первую сотую долю секунды после взрыва материя составляла своеобразную смесь вещества (состоящую из электронов и позитронов) и излучения(фотонов), которые непрерывно взаимодействовали между собой. Электроны и позитроны превращались в фотоны, а последние, в результате взаимодействия образовывали пару электрон и позитрон: e — + e + ↔ 2γ.
Взаимопревращение вещества и излучения продолжалось до тех пор, пока существовало термодинамическое равновесие между ними. Существовала также и симметрия как между веществом и излучением, так и между веществом и антивеществом.
Как возникло впоследствии отделение антивещества от вещества и разрушение симметрии между веществом и излучением, остается только догадываться. Предполагают, что в далеком прошлом наш вещественный мир каким-то образом оказался изолированным от антивещественного, ибо в противном случае все превратилось бы в излучение.
Эра лептонов (легких частиц, вступающих в электромагнитное взаимодействие). Продолжительность эры 10 с, температура 10 10 градусов по Кельвину, плотность 10 4 г/см 3 . Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами.
Фотонная эра. Продолжительность 1 млн. лет. Основная доля массы-энергии Вселенной — приходится на фотоны. К концу эры температура падает с 10 10 до 3000 градусов по Кельвину, плотность — с 10 21 г/см 3 до 10 4 г/см 3 . Главную роль играет излучение, которое в конце эры отделяется от вещества. Когда электроны и ядра начнут образовывать устойчивые атомы легких элементов, преимущественно водорода и гелия, тогда происходит разъединение вещества и излучения. Одним из первых его следствий стало образование звезд. Другим следствием было то, что Вселенная стала прозрачной для излучения. Именно тогда возникает космическое микроволновое излучение с температурой 3 градуса по Кельвину, которое ныне часто называют реликтовым, ибо оно напоминает об истории возникновения Вселенной.
Звездная эра наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик. Затем разворачивается грандиозная картина образования структуры Метагалактики.
В стандартной гипотезе образования Вселенной много еще неясного и спорного. Прежде всего, остается нерешенным вопросов о структуре и состоянии материи первоначальной Вселенной.
По этой причине наряду со стандартной моделью была предложена также гипотеза пульсирующей Вселенной, которая предполагает, что в ходе своей эволюции Вселенная подвергается периодическому расширению и сжатию. По мнению её защитников, она удовлетворительно объясняет наличие гигантского количества фотонов во Вселенной во время циклов её расширения и сжатия. Однако никаких эмпирических фактов, свидетельствующих о сжатии Вселенной, пока не обнаружено.
Четверть века назад была выдвинута инфляционная модель, которая пытается раскрыть состояние Вселенной до взрыва. Она рассматривает Вселенную как гигантскую флуктуацию вакуума, и стремится объяснить разрушение в ней симметрий между веществом и антивеществом, а также различными силами взаимодействия между частицами и полями. Согласно этой модели, Вселенная возникла из первоначального вакуума, который обладал огромной энергией, но находился в неустойчивом состоянии. В этом вакууме, который называют возбужденным, или ложным, господствовали космические силы отталкивания, которые и «раздували» занимаемое им пространство, а выделившаяся при этом энергия быстро нагревала Вселенную. Огромное повышение температуры и давления в процессе быстрого расширения возбужденного вакуума привело к взрыву сверхгорячей материи. После взрыва наступило резкое понижение температуры и давления, и в дальнейшем расширение Вселенной происходило по сценарию стандартной модели.
Самая большая трудность для ученых возникает при объяснении причин космической эволюции. Если отбросить частности, то можно выделить две основные концепции, объясняющие эволюцию Вселенной: самоорганизации и креационизма.
Для концепции самоорганизацииматериальная Вселенная является единственной реальностью, никакой другой реальности помимо нее не существует. Эволюция Вселенной описывается в терминах самоорганизации: идет самопроизвольное упорядочивание систем в направлении становления все более сложных структур. Динамичный хаос порождает порядок. Вопрос о цели космической эволюции не ставится, поскольку не имеет смысла.
В рамках концепции креационизма, т.е. творения, эволюция Вселенной связывается с реализацией программы, которая была сформулирована реальностью более высокого порядка, чем материальный мир (например, Богом). Сторонники креационизма в качестве дополнительного аргумента привлекают антропный принцип.
Суть антропного принципа заключается в том, что существование той Вселенной, в которой мы живем, зависит от численных значений фундаментальных физических констант – постоянной Планка, постоянной гравитации, констант взаимодействия и т.д. Если бы эти значения отличались от существующих хотя бы на ничтожно малую величину, то не только жизнь была бы невозможной, но и сама Вселенная как сложная упорядоченная структура была бы невозможна. Отсюда делается вывод: физическая структура Вселенной запрограммирована,а конечная цель космической эволюции якобы заключается в появлении человека во Вселенной в соответствии с замыслами Творца.
С сожалением приходится отметить, что в некоторых современных учебниках идея креационизма рассматривается в рамках концепций естествознания[7]. Однако идея креационизма связана с миром сверхъестественного и поэтому выходит за рамки естествознания, изучающего естественные законы мира. К тому же антропный принцип поясняет, почему появление человека стало возможным, но ни в коей мере не может служить доказательством запрограммированности такого появления.
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Источник