Теория стационарной Вселенной
Вселенная расширяется, однако материя постоянно образуется вновь в межгалактическом пространстве, поэтому у Вселенной нет начала и не будет конца
xvi • принцип коперника
Закон хаббла
Большой взрыв
1948 • ТЕОРИЯ
После открытия закона хаббла большинство астрономов приняли теорию большого взрыва — концепцию, согласно которой Вселенная образовалась в прошлом из некоей точки. Однако в 1940-е годы группа астрофизиков под руководством Фреда Хойла предложила альтернативную теорию.
Главная идея этой теории заключается в следующем: по мере того как галактики удаляются друг от друга при хаббловском расширении, в увеличивающемся пространстве между ними образуется новая материя. Вновь образованная материя со временем самоорганизуется в галактики, которые, в свою очередь, будут удаляться друг от друга, высвобождая пространство для образования новой материи. Таким образом, наблюдаемое расширение было согласовано с понятием «стационарной» Вселенной, сохраняющей свою общую плотность и не имеющей единственной точки образования (наличие которой предполагает теория Большого взрыва). Но при этом требовалось принять без доказательств новую концепцию процесса образования вещества.
Некоторые астрономы поддерживали теорию стационарной Вселенной вплоть до середины 1960-х годов. Основным достоинством этой теории была ее философская сторона. Утверждалось, что теория согласуется с принципом коперника о том, что наш мир не уникален, и не выделяет какой-то момент времени как главный.
Вскоре начали появляться доводы против теории. Во-первых, в точных лабораторных экспериментах не удалось воспроизвести образование вещества. Во-вторых, что важнее, новые открытия в космологии — такие как космический микроволновый фон (см. большой взрыв) — показали, что многие явления во Вселенной можно объяснить исходя из сценария Большого взрыва, но не из теории стационарной Вселенной. Например, когда мощные телескопы смогли заглянуть во Вселенную поглубже и таким образом проникнуть в ее прошлое, стало ясно, что все наиболее удаленные галактики представляют собой молодые, еще не сформировавшиеся системы. Это как раз то, что и ожидалось от Вселенной, возникшей в результате Большого взрыва, но никак не согласовывалось с картиной стационарности. В конце концов большинство защитников теории стационарной Вселенной, сраженные этим контраргументом, просто сдались.
Однако до наших дней дошло одно наследие этой теории — сам термин «Большой взрыв». Изначально его предложил Хойл — чтобы посмеяться над своими оппонентами, и, наверное, он был очень удивлен, когда те с восторгом приняли этот термин.
ФРЕД ХОЙЛ (Fred Hoyle, 19152001) — английский космолог и астрофизик. Родился в Бингли (Йоркшир). Окончил Кембриджский университет в 1936 году, а в 1958 году стал почетным профессором астрономии этого университета. Самым большим достижением Хойла стало объяснение того, как
образуются химические элементы в недрах звезд (см. эволюция звезд). Он не боялся выдвигать гипотезы, которые многие считали фантастичными: например, о том, что появление прежде неизвестных болезней вызвано бактериями, которые попали на Землю с частицами межзвездной пыли.
Теория струн
В конечном счете все элементарные частицы можно представить в виде микроскопических многомерных струн, в которых возбуждены вибрации различных гармоник
Большой взрыв
Кварки
И восьмеричный путь
Стандартная модель
xxi (?) • универсальные
Теории
Сколько же всего измерений?
Нам, простым людям, всегда хватало и трех измерений. С незапамятных времен мы привыкли описывать физический мир в столь скромных рамках (саблезубый тигр в 40 метрах спереди, 11 метрах правее и 4 метрах выше меня — булыжник к бою!). Теория относительности приучила большинство из нас к тому, что время есть четвертое измерение (саблезубый тигр не просто здесь — он здесь и сейчас угрожает нам!). И вот начиная с середины ХХ века теоретики повели разговоры, что на самом деле измерений еще
Внимание, пристегните покрепче ремни — и я попробую описать вам одну из самых странных теорий из числа серьезно обсуждаемых сегодня научных кругах, которая способна дать наконец окончательную разгадку устройства Вселенной. Теория эта выглядит настолько дико, что, вполне возможно, она правильна!
Различные версии теории струн сегодня рассматриваются в качестве главных претендентов на звание всеобъемлющей универсальной теории, объясняющей природу всего сущего. А это своего рода Священный Грааль физиков-теоретиков, занимающихся теорией элементарных частиц и космологии. Универсальная теория (она же теория всего сущего) содержит всего несколько уравнений, которые объединяют в себе всю совокупность человеческих знаний о характере взаимодействий и свойствах фундаментальных элементов материи, из которых построена Вселенная. Сегодня теорию струн удалось объединить с концепцией суперсимметрии, в результате чего родилась теория суперструн, и на сегодняшний день это максимум того, что удалось добиться в плане объединения теории всех четырех основных взаимодействий (действующих в природе сил). Сама по себе теория суперсимметрии уже построена на основе априорной современной концепции, согласно которой любое дистанционное (полевое) взаимодействие обусловлено обменом частицами-носителями взаимодействия соответствующего рода между взаимодействующими частицами (см. стандартная модель). Для наглядности взаимодействующие частицы можно считать «кирпичиками» мироздания, а частицы-носители — цементом.
В рамках стандартной модели в роли кирпичиков выступают кварки, а в роли носителей взаимодействия — калибровочные бозоны, которыми эти кварки обмениваются между собой. Теория же суперсимметрии идет еще дальше и утверждает, что и сами кварки и лептоны не фундаментальны: все они состоят из еще более тяжелых и не открытых экспериментально структур (кирпичиков) материи, скрепленных еще более прочным «цементом» сверхэнергетичных частиц-носителей взаимодействий, нежели кварки в составе адронов и бозонов. Естественно, в лабораторных условиях ни одно из предсказаний теории суперсимметрии до сих пор не проверено, однако гипотетические скрытые компоненты материального мира уже имеют названия — например, сэлектрон (суперсимметричный напарник электрона), скварк и т.д. Существование этих частиц, однако, теориями такого рода предсказывается однозначно.
Картину Вселенной, предлагаемую этими теориями, однако, достаточно легко представить себе наглядно. В масштабах порядка 10 -35 м, то есть на 20 порядков меньше диаметра того же протона, в состав которого входят три связанных кварка, структура материи отличается от привычной нам даже на уровне элементарных частиц. На столь малых расстояниях (и при столь высоких энергиях взаимодействий, что это и представить немыслимо) материя больше — не то 10, не то 11, не то вообще 26. Конечно, без объяснений, почему мы, нормальные люди, их не наблюдаем, тут обойтись не могло. И тогда возникла концепция «компактифи-кации» — слипания, или схлопывания, измерений. Представим садовый поливочный шланг. Вблизи он воспринимается как нормальный трехмерный объект. Стоит, однако, отойти от шланга на достаточное расстояние — и он представится нам одномерным линейным объектом: его толщину мы попросту перестанем воспринимать. Именно о таком эффекте и принято говорить как о компак-тификации измерения: в данном случае «компактифицированной» оказалась толщина шланга — слишком мала шкала масштаба измерения. Именно так, по утверждениям теоретиков, исчезают из поля нашего экспериментального восприятия реально существующие дополнительные измерения, необходимые для адекватного объяснения свойств материи на субатомном уровне: они компактифицируются, начиная с шкалы масштабов порядка 10 -35 м, и современные методы наблюдения и измерительные приборы просто не в состоянии обнаружить структур столь малого масштаба. Возможно, все именно так и есть, а возможно, все обстоит совершенно по-другому. Пока нет таких приборов и методов наблюдения, все вышеприведенные доводы и контрдоводы так и останутся на уровне досужих спекуляций.
превращается в серию полевых стоячих волн, подобных тем, что возбуждаются в струнах музыкальных инструментов. Подобно гитарной струне, в такой струне могут возбуждаться, помимо основного тона, множество обертонов или гармоник. Каждой гармонике соответствует собственное энергетическое состояние. Согласно принципу относительности (см. теория относительности), энергия и масса эквивалентны, а значит, чем выше частота гармонической волновой вибрации струны, тем выше его энергия, и тем выше масса наблюдаемой частицы.
Однако, если стоячую волну в гитарной струне представить себе наглядно достаточно просто, стоячие волны, предлагаемые теорией суперструн, наглядному представлению поддаются с трудом — дело в том, что колебания суперструн происходят в пространстве, имеющем 11 измерений. Мы привыкли к четырехмерному пространству, которое содержит три пространственных и одно временное измерение (влево-вправо, вверх-вниз, вперед-назад, прошлое-будущее). В пространстве суперструн все обстоит гораздо сложнее (см. вставку). Физики-теоретики обходят скользкую проблему «лишних» пространственных измерений, утверждая, что они «скрадываются» (или, научным языком выражаясь, «компактифицируются») и потому не наблюдаются при обычных энергиях.
совсем уже недавно теория струн получила дальнейшее развитие в виде теории многомерных мембран — по сути это те же струны, но плоские. Как походя пошутил кто-то из ее авторов, мембраны отличаются от струн примерно тем же, чем лапша отличается от вермишели.
Вот, пожалуй, и все, что можно вкратце рассказать об одной из теорий, не без основания претендующих на сегодняшний день на звание универсальной теории Великого объединения всех силовых взаимодействий. Увы, и эта теория небезгрешна. Прежде всего она до сих пор не приведена к строгому математическому виду по причине недостаточности математического аппарата для ее приведения в строгое внутреннее соответствие. Прошло уже 20 лет, как эта теория появилась на свет, а непротиворечиво согласовать одни ее аспекты и версии с другими так никому и не удалось. Еще неприятнее то, что никто из теоретиков, предлагающих теорию струн (и тем более суперструн) до сих пор не предложил ни одного опыта, на котором эти теории можно было бы проверить лабораторно. Увы, боюсь, что до тех пор, пока они этого не сделают, вся их работа так и останется причудливой игрой фантазии и упражнениями в постижении эзотерических знаний за пределами основного русла естествознания.
теория сцепления-натяжения
Транспорт воды в растениях зависит главным образом от водородных связей, образующихся между молекулами воды
Источник
Теория стационарной Вселенной
В 1948 году английский астрофизик Фред Хойл и двое других ученых выдвинули «теорию стационарной Вселенной», согласно которой Вселенная якобы никогда не меняет своего качества: через десятки и сотни миллиардов лет она выглядит такою же, какою она выглядела сотни миллиардов лет тому назад.
Это значит, что чистая энергия, плазма, жидкости, твердые тела и живые организмы – существовали, существуют и будут существовать во Вселенной якобы вечно. Отдельные звезды и галактики рождаются и умирают, но мир звезд и галактик в целом остается неизменным навеки.
Согласно теории стационарной Вселенной, расширение Вселенной происходит потому, что в ней непрерывно рождается энергия из ничего. Этот факт служит одним из позитивных элементов теории стационарной Вселенной, которая в целом является негативной и неправильной. В конечном счете расширения и сжатия Вселенной зависят от соотношения между энергетической активностью белых и черных космических дырок. Если белые космические дыры производят энергии больше, чем ее “съедают” черные дыры, то Вселенная расширяется. Если же черные космические дыры “съедают” энергии больше, чем ее производят белые дыры, то Вселенная сжимается.
Из теории стационарной Вселенной неизбежно следует вывод о том, что Вселенная якобы является вечной и бесконечной. Поэтому эта теория полностью устраивала атеистов до тех пор, пока им не пришлось публично признать факт расширения Вселенной.
В рамках теории стационарной Вселенной, факт ее расширения можно объяснить только лишь непрерывным рождением энергии из ничего.
Признавая рождение энергии из ничего, атеизму пришлось бы признать и сотворимость материи, а там до признания Бога остается всего лишь один шаг. По этой причине с 1970 года атеизму пришлось признать теорию эволюционной Вселенной и отказаться от теории стационарной Вселенной. Но тогда возникает вполне уместный вопрос: может ли теория эволюционной Вселенной спасти “научный” атеизм от неизбежного научного краха?
Источник
О стационарной Вселенной
До начала ХХ века имелось много различных моделей Вселенной, но основной считалась теория стационарной Вселенной, которая существовала и будет существовать всегда. Этот взгляд вполне подходил под описание созданное Исааком Ньютоном, да и религиозные деятели вполне одобряли подобную идею. Однако научный прогресс остановить было нельзя.
Работы Эйнштейна по Теории Относительности во многом изменили взгляд на геометрию Вселенной, а затем последовало открытие допплеровского смещения, но уже для галактик. Работы по измерению расстояния между галактиками, проведенные Эдвином Хабблом, установление им связи между красным смещением спектра удаленных объектов и расстоянием до них, резко изменили привычную картину мира.
Стало очевидно, что галактики разбегаются друг от друга, и в прошлом расстояние между ними было значительно меньше. Отсюда последовал вывод, что разбегание в весьма далеком прошлом началось из одной точки.
Астрономы мира согласились с тем, что первоначально вся материя была заключена в одну точку, а затем, по какой-то причине, это точка начала безудержно расширяться. Споры велись только о дальнейшей судьбе Вселенной.
— дальнейшее бесконечное расширение;
— замена красного смещения на фиолетовое и обратное сжатие в одну точку;
— периодическое пульсирование Вселенной около некого среднего положения равновесия.
Американский астроном Фред Хойл прославился не только своими открытиями и научно-фантастическими романами, но и весьма оригинальными идеями.
Одна из идей была разработана совместно с Томасом Голдом и Германом Бонди (правда были и еще единомышленники). Ученые предположили, что в теории стационарной Вселенной заложено рациональное зерно и переработали ее с учетом открытий первой половины 20 века.
Мысль положенная в основу новой теории стационарной Вселенной была проста и красива:
Вселенная стационарна, правда не статически, а динамически.
Расширение пространства происходит, и Хойл со товарищи с этим фактом не спорил, просто в появившихся промежутках появляется новое вещество, из которого формируются молодые галактики. Таким образом, промежутки заполняются новообразованиями, а Вселенная остается равномерно заполненной галактиками и стационарной, правда динамически.
Некоторые из наблюдаемых явлений подобный подход и в самом деле неплохо объяснял, так что новая теория стационарной Вселенной в 50-е годы прошлого века обрела себе немало сторонников. Сам Фред Хойл, полемизируя со сторонниками образования Вселенной из точки, назвал иронически ее первый миг жизни Большим Взрывом. Неожиданно для самого астронома это наименование прижилось.
Но затем у теории стационарной Вселенной начались проблемы. Появились мощные телескопы, которые позволили заглянуть гораздо дальше. Выяснилось, что удаленные на громадное расстояние галактики выглядят молодыми, что вполне соответствует теории Большого Взрыва (будем называть ее так!), поскольку они появились вскоре после Большого Взрыва, а их свет шел к нам миллиарды лет.
Второй удар идея Хойла получила после открытия реликтового излучения — выяснилось, что Вселенная имеет собственное тепловое излучение соответствующее температуре примерно 2,7 градуса Кельвина. Если Вселенная стационарна, то и ее температура должна равняться абсолютному нулю. А вот при Большом Взрыве первоначально температура была чудовищная, затем последовало расширение пространства, следовательно, температура начала падать. А реликтовое излучение это просто остаток тепла после Большого взрыва.
Эти два открытия резко уменьшили число сторонников теории стационарной Вселенной, хотя отдельные астрономы и поныне пытаются ее модернизировать.
Источник