Стационарная вселенная классическая модель

Стационарная вселенная классическая модель

Успехи космологии и космогонии в XVIII — XIX вв. завершились созданием классической полицентрической картины мира, ставшей начальным этапом развития научной космологии. Данная модель достаточно проста и понятна. Вселенная считается бесконечной в пространстве и во времени, иными словами, вечной. Основным законом, управляющим движением и развитием небесных тел, яв ляется закон всемирного тяготения. Пространство никак не связано с находящимися в нем телами, играя пассивную роль вместилища для этих тел. Время также не зависит от материи, являясь универ сальной длительностью всех природных явлений и тел. Исчезни вдруг все тела, пространство и время сохранились бы неизменны ми. Количество звезд, планет и звездных систем во Вселенной бесконечно велико. Каждое небесное тело проходит длительный жизненный путь. На смену погибшим, точнее, погасшим, звездам при ходят новые, молодые светила. Хотя детали возникновения и гибе ли небесных тел оставались неясными, в основном эта модель каза лась стройной и логически непротиворечивой. В таком виде клас сическая полицентрическая модель просуществовала в науке вплоть до начала XX в.

Однако в данной модели Вселенной было несколько недостат ков. Закон всемирного тяготения объяснял центростремительное ускорение планет, но не говорил, откуда взялось стремление пла нет, а также любых материальных тел двигаться равномерно и пря молинейно. Для объяснения инерциального движения пришлось допустить существование в ней божественного «первотолчка», при ведшего в движение все материальные тела. Кроме того, для кор рекции орбит космических тел также допускалось вмешательство Бога. Таким образом, классическая полицентрическая модель Все ленной лишь частично носила научный характер, она не смогла дать научного объяснения происхождения Вселенной и поэтому была заменена другими моделями.

К концу XIX в. появились серьезные сомнения в классической космологической модели. Они приняли форму так называемых космологических парадоксов — фотометрического, гравитационно го и термодинамического.

Три космологических парадокса заста вили ученых усомниться в классической космологической модели Вселенной, побудили их к поискам новых непротиворечивых моделей.

Источник

Стационарная модель — Steady-state model

• Категория
• Астрономический портал

В космологии , то стационарная модель является альтернативой Большого Взрыва теории эволюции Вселенной. В стационарной модели плотность материи в расширяющейся Вселенной остается неизменной из-за непрерывного создания материи, тем самым придерживаясь идеального космологического принципа , принципа, который утверждает, что наблюдаемая Вселенная практически одинакова в любое время и в любое время. место.

В то время как модель устойчивого состояния пользовалась некоторой поддержкой меньшинства в научном мейнстриме до середины 20-го века, теперь она отвергается подавляющим большинством космологов , астрофизиков и астрономов , поскольку данные наблюдений указывают на космологию горячего Большого взрыва с конечным возраст Вселенной , который не предсказывает стационарная модель.

СОДЕРЖАНИЕ

История

В 13 веке Сигер из Брабанта написал тезис «Вечность мира» , в котором утверждалось, что не было ни первого человека, ни первого экземпляра какой-либо конкретной вещи: физическая вселенная, таким образом, не имеет какого-либо первого начала и, следовательно, вечна. Взгляды Сигера были осуждены папой в 1277 году .

Космологическое расширение было первоначально обнаружено в результате наблюдений Эдвина Хаббла . Теоретические расчеты также показали, что статическая Вселенная, смоделированная Эйнштейном (1917), была нестабильной. Современная теория Большого взрыва — это теория, согласно которой Вселенная имеет конечный возраст и со временем эволюционировала в результате охлаждения, расширения и образования структур в результате гравитационного коллапса.

Модель установившегося состояния утверждает, что, хотя Вселенная расширяется, она, тем не менее, не меняет своего внешнего вида с течением времени ( идеальный космологический принцип ); у вселенной нет ни начала, ни конца. Это требовало непрерывного создания материи, чтобы плотность Вселенной не уменьшалась. Влиятельные статьи по установившейся космологии были опубликованы Германом Бонди , Томасом Голдом и Фредом Хойлом в 1948 году. Подобные модели были предложены ранее , среди прочих, Уильямом Дунканом Макмилланом .

Теперь известно, что Альберт Эйнштейн рассматривал стационарную модель расширяющейся Вселенной, как указано в рукописи 1931 года, за много лет до Хойла, Бонди и Голда. Однако он быстро отказался от этой идеи.

Наблюдательные тесты

Количество радиоисточников

Проблемы со стационарной моделью начали возникать в 1950-х и 60-х годах, когда наблюдения начали подтверждать идею о том, что Вселенная на самом деле меняется: яркие радиоисточники ( квазары и радиогалактики ) обнаруживались только на больших расстояниях (поэтому могли иметь существовали только в далеком прошлом), а не в более близких галактиках. В то время как теория Большого взрыва предсказывала то же самое, стационарная модель предсказывала, что такие объекты будут обнаружены по всей Вселенной, в том числе вблизи нашей галактики. К 1961 году статистические тесты, основанные на обзорах радиоисточников, исключили стационарную модель в умах большинства космологов, хотя некоторые сторонники устойчивого состояния настаивали на том, что радиоданные были подозрительными.

Космический микроволновый фон

Для большинства космологов окончательное опровержение стационарной модели пришло с открытием в 1964 году космического микроволнового фонового излучения, предсказанного теорией Большого взрыва. В стационарной модели микроволновое фоновое излучение объясняется светом древних звезд, рассеянным галактической пылью. Однако уровень космического микроволнового фона очень равномерен во всех направлениях, что затрудняет объяснение того, как он может быть создан многочисленными точечными источниками, а микроволновое фоновое излучение не показывает никаких признаков таких характеристик, как поляризация, которые обычно связаны с рассеянием. Более того, его спектр настолько близок к спектру идеального черного тела, что вряд ли он может быть сформирован суперпозицией вкладов множества пылевых сгустков при разных температурах, а также на разных красных смещениях . Стивен Вайнберг писал в 1972 году:

Модель устойчивого состояния, похоже, не согласуется с наблюдаемой зависимостью d _L от z или с подсчетом источников . В некотором смысле, это несогласие является заслугой модели; единственная среди всех космологий модель устойчивого состояния дает такие определенные предсказания, что их можно опровергнуть даже с учетом ограниченных данных наблюдений, имеющихся в нашем распоряжении. Модель устойчивого состояния настолько привлекательна, что многие из ее приверженцев все еще сохраняют надежду на то, что доказательства против нее в конечном итоге исчезнут по мере улучшения наблюдений. Однако, если космическое микроволновое излучение . действительно является излучением черного тела, будет трудно сомневаться в том, что Вселенная эволюционировала из более горячей и плотной ранней стадии.

Со времени этого открытия считается, что теория Большого взрыва дает лучшее объяснение происхождения Вселенной. В большинстве астрофизических публикаций Большой взрыв неявно признается и используется в качестве основы для более полных теорий.

Квазистационарное состояние

Квазистационарная космология (QSS) была предложена в 1993 году Фредом Хойлом, Джеффри Бербидж и Джаянтом В. Нарликаром как новое воплощение идей стационарного состояния, призванных объяснить дополнительные особенности, не учтенные в первоначальном предложении. Модель предлагает очаги творения, происходящие с течением времени во вселенной, иногда называемые мини- взрывами, событиями мини-творения или маленькими взрывами . После наблюдения ускоряющейся Вселенной в модель были внесены дальнейшие модификации. Планковская частица — это гипотетическая черная дыра , радиус Шварцшильда которой приблизительно равен ее комптоновской длине волны ; испарение такой частицы было вызвано как источник легких элементов в расширяющейся стационарной Вселенной.

Астрофизик и космолог Нед Райт указал на недостатки модели. Эти первые комментарии вскоре были опровергнуты сторонниками. Райт и другие основные космологи, проводящие обзор QSS, указали на новые недостатки и несоответствия с наблюдениями, которые сторонники не объяснили.

Источник

Эволюция космологических моделей

Результаты познания, получаемые в космологии, оформляются в виде моделей происхождения и развития Вселенной. Это связано с тем, что в космологии невозможно поставить воспроизводимые эксперименты и вывести из них какие-то законы, как это делается в других естественных науках. Кроме того, каждое космическое явление уникально. Поэтому космология оперирует моделями. По мере накопления новых знаний об окружающем мире, уточняются, и разрабатываются новые, космологические модели.

Классическая космологическая модель

Успехи космологии и космогонии в XVIII—XIX вв. завершились созданием классической полицентрической картины мира, ставшей начальным этапом развития научной космологии.

Данная модель достаточно проста и понятна.

1. Вселенная считается бесконечной в пространстве и во времени, иными словами, вечной.

2. Основным законом, управляющим движением и развитием небесных тел, является закон всемирного тяготения.

3. Пространство никак не связано с находящимися в нем телами, играя пассивную роль вместилища для этих тел.

4. Время также не зависит от материи, являясь универсальной длительностью всех природных явлений и тел.

5. Исчезни вдруг все тела, пространство и время сохранились бы неизменными. Количество звезд, планет и звездных систем во Вселенной бесконечно велико. Каждое небесное тело проходит длительный жизненный путь. На смену погибшим, точнее, погасшим, звездам приходят новые, молодые светила.

Хотя детали возникновения и гибели небесных тел оставались неясными, в основном эта модель казалась стройной и логически непротиворечивой. В таком виде классическая полицентрическая модель просуществовала в науке вплоть до начала XX века.

Однако в данной модели Вселенной было несколько недостатков.

Закон всемирного тяготения объяснял центростремительное ускорение планет, но не говорил, откуда взялось стремление планет, а также любых материальных тел двигаться равномерно и прямолинейно. Для объяснения инерциального движения пришлось допустить существование в ней божественного «первотолчка», приведшего в движение все материальные тела. Кроме того, для коррекции орбит космических тел также допускалось вмешательство Бога.

Появление в рамках классической модели так называемых космологических парадоксов — фотометрического, гравитационного, термодинамического. Стремление к их разрешению также побуждало ученых к поискам новых непротиворечивых моделей.

Таким образом, классическая полицентрическая модель Вселенной лишь частично носила научный характер, она не смогла дать научного объяснения происхождения Вселенной и поэтому была заменена другими моделями.

Релятивистская модель Вселенной

Новая модель Вселенной была создана в 1917 г. А. Эйнштейном. Ее основу составила релятивистская теория тяготения — общая теория относительности. Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяются распределением в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но при этом замкнута в пространстве. Согласно этой модели, пространство однородно и изотропно, т.е. во всех направлениях имеет одинаковые свойства, материя распределена в нем равномерно, время бесконечно, а его течение не влияет на свойства Вселенной. На основании проведенных расчетов Эйнштейн сделал вывод, что мировое пространство представляет собой четырехмерную сферу.

При этом не следует представлять себе данную модель Вселенной в виде обычной сферы. Сферическое пространство есть сфера, но сфера четырехмерная, не поддающаяся наглядному представлению. По аналогии можно сделать вывод, что объем такого пространства конечен, как конечна поверхность любого шара, ее можно выразить конечным числом квадратных сантиметров. Поверхность всякой четырехмерной сферы также выражается конечным числом кубометров. Такое сферическое пространство не имеет границ, и в этом смысле оно безгранично. Летя в таком пространстве в одном направлении, мы в конце концов вернемся в исходную точку. Но в то же время муха, ползущая по поверхности шара, нигде не найдет границ и преград, запрещающих ей двигаться в любом избранном направлении. В этом смысле поверхность любого шара безгранична, хотя и конечна, т.е. безграничность и бесконечность — это разные понятия.

Итак, из расчетов Эйнштейна следовало, что наш мир является четырехмерной сферой. Объем такой Вселенной может быть выражен хотя и очень большим, но все же конечным числом кубометров. В принципе можно облететь всю замкнутую Вселенную, двигаясь все время в одном направлении. Такое воображаемое путешествие подобно земным кругосветным путешествиям. Но конечная по объему Вселенная в то же время безгранична, как не имеет границ поверхность любой сферы. Вселенная Эйнштейна содержит хотя и большое, но все же конечное число звезд и звездных систем, а поэтому к ней неприменимы фотометрический и гравитационный парадоксы. В то же время призрак тепловой смерти тяготеет и над Вселенной Эйнштейна. Такая Вселенная, конечная в пространстве, неизбежно идет к своему концу во времени. Вечность ей не присуща.

Таким образом, несмотря на новизну и даже революционность идей, Эйнштейн в своей космологической теории ориентировался на привычную классическую мировоззренческую установку статичности мира. Его более привлекал гармоничный и устойчивый мир, нежели мир противоречивый и неустойчивый.

Модель расширяющейся Вселенной

Модель Вселенной Эйнштейна стала первой космологической моделью, базирующейся на выводах общей теории относительности. Это связано с тем, что именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях. Поэтому теоретическим ядром современной космологии выступает теория тяготения — общая теория относительности. Эйнштейн допускал в своей космологической модели наличие некой гипотетической отталкивающей силы, которая должна была обеспечить стационарность, неизменность Вселенной. Однако последующее развитие естествознания внесло существенные коррективы в это представление.

Пять лет спустя, в 1922 г., советский физик и математик А. Фридман на основе строгих расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна не может быть стационарной, неизменной. При этом Фридман опирался на сформулированный им космологический принцип, который строится на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной: мы можем проводить наблюдения в любой из них и везде увидим изотропную Вселенную.

Фридман на основе космологического принципа доказал, что уравнения Эйнштейна имеют и другие, нестационарные решения, согласно которым Вселенная может либо расширяться, либо сжиматься. При этом речь шла о расширении самого пространства, т.е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.

Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие эффекта Допплера — изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. «Красное смещение» было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. Согласно последним измерениям увеличение скорости расширения составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек.

В результате своих наблюдений Хаббл обосновал представление, что Вселенная — это мир галактик, что наша Галактика — не единственная в ней, что существует множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями. Вместе с тем Хаббл пришел к выводу, что межгалактические расстояния не остаются постоянными, а увеличиваются. Таким образом, в естествознании появилась концепция расширяющейся Вселенной.

Какое же будущее ждет нашу Вселенную? Фридман предложил три модели развития Вселенной.

В первой модели Вселенная расширяется медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого Вселенная начинала сжиматься. В этой модели пространство искривляется, замыкаясь на себя, образуя сферу.

Во второй модели Вселенная расширялась бесконечно, а пространство искривлено как поверхность седла и при этом бесконечно.

В третьей модели Фридмана пространство плоское и тоже бесконечное.

По какому из этих трех вариантов идет эволюция Вселенной, зависит от отношения гравитационной энергии к кинетической энергии разлетающегося вещества.

Если кинетическая энергия разлета вещества преобладает над гравитационной энергией, препятствующей разлету, то силы тяготения не остановят разбегания галактик, и расширение Вселенной будет носить необратимый характер. Этот вариант динамичной модели Вселенной называют открытой Вселенной.

Если же преобладает гравитационное взаимодействие, то темп расширения со временем замедлится до полной остановки, после чего начнется сжатие вещества вплоть до возврата Вселенной в исходное состояние сингулярности (точечный объем с бесконечно большой плотностью). Такой вариант модели назван осциллирующей, или закрытой, Вселенной.

В граничном случае, когда силы гравитации точно равны энергии разлета вещества, расширение не прекратится, но его скорость со временем будет стремиться к нулю. Через несколько десятков миллиардов лет после начала расширения Вселенной наступит состояние, которое можно назвать квазистационарным. Теоретически возможна и пульсация Вселенной.

Когда Э. Хаббл показал, что далекие галактики разбегаются друг от друга со все возрастающей скоростью, был сделан однозначный вывод о том, что наша Вселенная расширяется. Но расширяющаяся Вселенная — это изменяющаяся Вселенная, мир со всей своей историей, имеющий начало и конец. Постоянная Хаббла позволяет оценить время, в течение которого продолжается процесс расширения Вселенной. Получается, что оно не менее 10 млрд. и не более 19 млрд. лет. Наиболее вероятным временем существования расширяющейся Вселенной считают 15 млрд. лет. Таков приблизительный возраст нашей Вселенной.

Мнение ученого

Существуют и другие, вплоть до самых экзотических, космологические (теоретические) модели, базирующиеся на общей теории относительности. Вот что говорит по поводу космологических моделей профессор математики Кембриджского университета Джон Барроу:

«Естественная задача космологии заключается в том, чтобы как можно лучше понять возникновение, историю и устройство нашей собственной Вселенной. В то же время ОТО даже без заимствований из других разделов физики позволяет рассчитать почти неограниченное количество самых разных космологических моделей. Конечно, выбор их производится на основе астрономических и астрофизических данных, с помощью которых можно не только протестировать различные модели на соответствие реальности, но и решить, какие из их компонентов можно объединить для наиболее адекватного описания нашего мира. Именно так возникла нынешняя стандартная модель Вселенной. Так что даже только по этой причине исторически сложившееся разнообразие космологических моделей оказалось очень полезным.

Но дело не только в этом. Многие модели были созданы, когда астрономы еще не накопили того богатства данных, которым располагают сегодня. Например, подлинная степень изотропии Вселенной была установлена благодаря космической аппаратуре лишь в течение последних двух десятилетий. Понятно, что в прошлом у модельеров космоса было много меньше эмпирических ограничений. Кроме того, не исключено, что даже экзотические по нынешним меркам модели в будущем пригодятся для описания тех частей Вселенной, которые пока еще недоступны для наблюдения. И наконец, изобретение космологических моделей может просто подтолкнуть стремление отыскать неизвестные решения уравнений ОТО, а это тоже мощный стимул. В общем, изобилие таких моделей вполне объяснимо и оправдано.

Точно так же оправдан и недавно состоявшийся союз космологии и физики элементарных частиц. Его представители рассматривают самую раннюю стадию жизни Вселенной как естественную лабораторию, идеально пригодную для изучения основных симметрий нашего мира, определяющих законы фундаментальных взаимодействий. Этот союз уже положил начало целому вееру принципиально новых и очень глубоких космологических моделей. Нет сомнения, что и в будущем он принесет не менее плодотворные результаты».

ЕЩЁ МАТЕРИАЛЫ ПО ТЕМЕ:

В заключение – моё резюме

Несмотря на существование различных научных космологических моделей, мне представляется, что на самом деле человеческий разум ещё весьма далек от ясного и исчерпывающего понимания того, как на самом деле возникла, устроена и эволюционирует Вселенная.

1″ :pagination=»pagination» :callback=»loadData» :options=»paginationOptions»>

Источник