Модель расширяющейся вселенной. Космологические парадоксы – суть и исследование

Известно, что основные возражения против возможности существования бесконечной во времени и пространстве Вселенной заключаются в следующем.

1. «В 1744 г. швейцарский астроном Ж.Ф. Шезо первым усомнился в правильности представления о бесконечной Вселенной: если количество звезд во Вселенной бесконечно, то почему все небо не сверкает, как поверхность единой звезды? Почему небо темное? Почему звезды разделены темными промежутками?». Как полагают, такое же возражение против модели бесконечной Вселенной выдвинул немецкий философ Г. Олберс в 1823 г. «Контраргумент Олберса состоял в том, что свет, идущий к нам от далеких звезд, должен ослабляться из-за поглощения в находящемся на его пути веществе. Но в таком случае само это вещество должно нагреться и ярко светиться, как звезды». Однако так оно и есть в действительности! Согласно современным представлениям, вакуум не есть «ничто», но представляет собой «нечто», обладающее вполне реальными физическими свойствами. Тогда почему не предположить, что свет взаимодействует с этим «нечто» таким образом, что каждый фотон света при движении в этом «нечто» теряет энергию пропорционально пройденному им расстоянию, вследствие чего излучение фотона смещается в красную часть спектра.

Естественно, что поглощение вакуумом энергии фотонов сопровождается повышением температуры вакуума, вследствие чего вакуум становится источником вторичного излучения, которое можно назвать фоновым. Когда расстояние от Земли до излучающего объекта – звезды, галактики – достигает некоторого предельного значения, излучение от этого объекта получает настолько большое красное смещение, что сливается с фоновым излучением вакуума. Поэтому, хотя количество звезд в бесконечной Вселенной бесконечно, количество звезд, наблюдаемых с Земли, и вообще из любой точки Вселенной, конечно – в любой точке пространства наблюдатель видит себя как бы в центре Вселенной, из которого наблюдается некоторое ограниченное количество звезд (галактик). Вместе с тем, на частоте фонового излучения все небо сверкает как поверхность единой звезды, что и наблюдается в действительности.

2. В 1850 г. немецкий физик Р. Клаузиус «... пришел к выводу, что в природе теплота переходит от теплого тела к холодному... состояние Вселенной должно все больше изменяться в определенном направлении... Эти представления развил английский физик Уильям Томсон, согласно которому все физические процессы во Вселенной сопровождаются превращением световой энергии в теплоту». Следовательно, Вселенную ожидает «тепловая смерть», поэтому бесконечное существование Вселенной во времени невозможно. В действительности, это не так. Согласно современным представлениям, в «световую энергию» и «теплоту» вещество превращается в результате термоядерных процессов, идущих в звездах. «Тепловая смерть» наступит, как только все вещество Вселенной «сгорит» в термоядерных реакциях. Очевидно, что в бесконечной Вселенной и запасы вещества также являются бесконечными, следовательно, все вещество Вселенной «сгорит» за бесконечно большое время. «Тепловая смерть» угрожает скорее конечной Вселенной, поскольку запасы вещества в ней ограничены. Впрочем, и в случае конечной Вселенной ее «тепловая смерть» не является обязательной. Еще Ньютон сказал примерно следующее: «Природа любит превращения. Почему бы в ряду различных превращений не может быть таких, в которых вещество превращается в свет, а свет – в вещество». В настоящее время такие превращения хорошо известны: с одной стороны, вещество превращается в свет в результате термоядерных реакций, с другой – фотоны, т.е. свет, при определенных условиях превращаются в две вполне материальных частицы – электрон и позитрон. Таким образом, в природе осуществляется кругооборот вещества и энергии, что исключает «тепловую смерть» Вселенной.

3. В 1895 г. немецкий астроном Х. Зелигер «... пришел к выводу, что представление о бесконечном пространстве, заполненном веществом при конечной его плотности, несовместимо с законом тяготения Ньютона... Если в бесконечном пространстве плотность вещества не бесконечно мала, а каждые две частицы по закону Ньютона взаимно притягиваются, то сила тяготения, действующая на любое тело, была бы бесконечно большой, и под ее воздействием тела получили бы бесконечно большое ускорение».

Как объясняет, например, И.Д. Новиков в, суть гравитационного парадокса заключается в следующем. «Пусть Вселенная в среднем равномерно заполнена небесными телами, так что средняя плотность вещества в очень больших объемах пространства одинакова. Попытаемся рассчитать в соответствии с законом Ньютона, какая гравитационная сила, вызванная всем бесконечным веществом Вселенной, действует на тело (например, галактику), помещенную в произвольную точку пространства. Предположим сначала, что Вселенная пуста. Поместим в произвольную точку пространства пробное тело A . Окружим это тело веществом плотности, заполняющим шар радиуса R , чтобы тело A было в центре шара. Ясно без всяких расчетов, что в силу симметрии тяготение всех частичек вещества шара в его центре уравновешивает друг друга, и результирующая сила равна нулю, т.е. на тело A не действует никакая сила. Будем теперь добавлять к шару новые и новые сферические слои вещества той же плотности... сферические слои вещества не создают сил тяготения во внутренней полости и добавление этих слоев ничего не меняет, т.е. по-прежнему равнодействующая сила тяготения для A равна нулю. Продолжая процесс дополнения слоев, мы приходим в пределе к бесконечной Вселенной, равномерно заполненной материей, в которой результирующая гравитационная сила, действующая на A , равна нулю.

Однако рассуждения можно проводить и иначе. Возьмем снова однородный шар радиуса R в пустой Вселенной. Поместим наше тело не в центр этого шара с той же плотностью вещества, что и раньше, а на краю его. Теперь сила тяготения, которая действует на тело A , будет равна согласно закону Ньютона

F = GMm /R 2 ,

где M – масса шара; m – масса пробного тела A .

Будем теперь добавлять сферические слои вещества к шару. После того, как к этому шару добавлена сферическая оболочка, она не добавит гравитационных сил внутри себя. Следовательно, сила тяготения, действующая на тело A , не изменится и по-прежнему равна F .

Продолжим процесс добавления сферических оболочек вещества одинаковой плотности. Сила F остается неизменной. В пределе мы снова получаем Вселенную, заполненную однородным веществом с той же плотностью. Однако теперь на тело A действует сила F . Очевидно, в зависимости от выбора первоначального шара, можно получить силу F после перехода к однородно заполненной веществом Вселенной. Вот эта неоднозначность и получила название гравитационного парадокса... теория Ньютона не дает возможности без добавочных предположений однозначно рассчитать гравитационные силы в бесконечной Вселенной. Только теория Эйнштейна позволяет рассчитать эти силы без всяких противоречий» пишет сайт news-chel.ru .

Противоречия, однако, сразу же исчезают, если мы вспомним, что бесконечная Вселенная – это не то же самое, что очень большая:

• в бесконечной Вселенной сколько слоев вещества мы бы не прибавляли к шару, за его пределами остается еще бесконечно большое количество вещества;
• в бесконечной Вселенной шар любого, сколь угодно большого радиуса с пробным телом на его поверхности, всегда можно окружить сферой еще большего радиуса таким образом, что и шар, и пробное тело на его поверхности, окажутся внутри этой новой сферы, заполненной веществом той же плотности, что и внутри шара; в этом случае величина сил тяготения, действующих на пробное тело со стороны шара, окажется равной нулю.

Таким образом, сколько бы мы не увеличивали радиус шара и сколько бы слоев вещества не прибавляли, в бесконечной Вселенной, равномерно заполненной веществом, величина сил тяготения, действующих на пробное тело, всегда будет равна нулю. Другими словами, величина сил тяготения, создаваемых всем веществом Вселенной, в любой ее точке равна нулю. Однако если за пределами шара, на поверхности которого лежит пробное тело, нет вещества, т.е. если все вещество Вселенной сосредоточено внутри этого шара, тогда на пробное тело, лежащее на поверхности этого тела, действует сила тяготения, пропорциональная массе заключенного в шаре вещества. Под действием этой силы пробное тело, и вообще все внешние слои вещества шара, будет притягиваться к его центру – шар конечных размеров, однородно заполненный веществом, неизбежно будет сжиматься под действие сил тяготения. Этот вывод следует как из закона всемирного тяготения Ньютона, так и из общей теории относительности Эйнштейна: Вселенная конечных размеров не может существовать, так как под действием сил тяготения ее вещество должно непрерывно сжиматься к центру Вселенной.

«Ньютон понимал, что по его теории тяготения звезды должны притягиваться друг к другу и поэтому, казалось бы... должны упасть друг на друга, сблизившись в какой-то точке... Ньютон говорил, что так (здесь и далее выделено мной – В.П. ) действительно должно было бы быть , если бы у нас было лишь конечное число звезд в конечной области пространства. Но... если число звезд бесконечно и они более или менее равномерно распределены по бесконечному пространству, то этого никогда не произойдет, так как нет центральной точки, куда им нужно было бы падать. Эти рассуждения – пример того, как легко попасть впросак, ведя разговоры о бесконечности. В бесконечной Вселенной любую точку можно считать центром, так как по обе стороны от нее число звезд бесконечно. (Тогда можно – В.П.)... взять конечную систему, в которой все звезды падают друг на друга, стремясь к центру, и посмотреть, какие будут изменения, если добавлять еще и еще звезд, распределенных приблизительно равномерно вне рассматриваемой области. Сколько бы звезд мы ни добавили, они всегда будут стремиться к центру» . Таким образом, чтобы не «попасть впросак», мы должны выделить из бесконечной Вселенной некоторую конечную область, убедиться в том, что в такой конечной области звезды будут падать по направлению к центру этой области, после чего распространить этот вывод на бесконечную Вселенную и заявить, что существование такой Вселенной невозможно. Вот пример того, как «... на вселенную в целом...» переносится «... как нечто абсолютное такое состояние,...которому... может быть подвержена... только часть материи» (Ф. Энгельс. Анти-Дюринг), например, отдельно взятая звезда или скопление звезд. В действительности, так как «в бесконечной Вселенной любую точку можно считать центром», количество таких точек бесконечно. По направлению к какой же из этого бесконечного множества точек будут двигаться звезды? И еще: если даже вдруг обнаружится такая точка, то бесконечное количество звезд будет двигаться в направлении этой точки бесконечное время и сжатие в этой точке всей бесконечной Вселенной произойдет также за бесконечное время, т.е. никогда. Иное дело, если Вселенная конечна. В такой Вселенной существует единственная точка, которая и есть центр Вселенной – это точка, из которой началось расширение Вселенной и в которой опять сосредоточится все вещество Вселенной, когда ее расширение сменится сжатием. Таким образом, именно конечная Вселенная, т.е. Вселенная, размеры которой в каждый момент времени и величина сосредоточенного в ней вещества могут быть выражена какими-то конечными числами, обречена на сжатие. Находясь в состоянии сжатия, Вселенная никогда не сможет выйти из этого состояния без какого-то внешнего воздействия. Поскольку, однако, вне Вселенной нет ни вещества, ни пространства, ни времени, единственной причиной расширения Вселенной может быть действие, выраженное словами «Да будет свет!». Как написал однажды Ф. Энгельс, «Мы можем вертеться и изворачиваться как нам угодно, но... мы каждый раз опять возвращаемся... к персту Божию» (Ф. Энгельс. Анти-Дюринг). Однако перст Божий не может быть предметом изучения науки.

Заключение

Анализ так называемых космологических парадоксов позволяет заключить следующее.

1. Мировое пространство не является пустым, но заполнено некоторой средой, назовем ли мы эту среду эфиром или физическим вакуумом. При движении в этой среде фотоны теряют энергию пропорционально пройденному им и расстоянию, вследствие чего излучение фотонов смещается в красную часть спектра. В результате взаимодействия с фотонами температура вакуума или эфира повышается на несколько градусов выше абсолютного нуля, вследствие чего вакуум становится источником вторичного излучения, соответствующего его абсолютной температуре, что и наблюдается в действительности. На частоте этого излучения, которое действительно является фоновым излучением вакуума, все небо оказывается одинаково ярким, как это и предполагал Ж.Ф. Шезо.

2. Вопреки предположению Р. Клаузиуса, «тепловая смерть» не угрожает бесконечной Вселенной, включающей бесконечное количество вещества, которое может превратиться в теплоту за бесконечно большое время, т.е. никогда. «Тепловая смерть» угрожает конечной Вселенной, включающей конечное количество вещества, превращение которого в тепло может произойти за конечное время. Именно поэтому существование конечной Вселенной оказывается невозможным.

3. В бесконечной Вселенной, размеры которой не могут быть выражены никаким, сколь угодно большим числом, равномерно заполненной веществом при ненулевой его плотности, величина сил тяготения, действующих в любой точке Вселенной, равна нулю – это и есть истинный гравитационный парадокс бесконечной Вселенной. Равенство нулю сил тяготения в любой точке бесконечной Вселенной, равномерно заполненной веществом, означает, что пространство в такой Вселенной всюду является Эвклидовым.

В конечной Вселенной, т.е. во Вселенной, размеры которой могут быть выражены какими-то, пусть и очень большими числами, на пробное тело, находящееся «на краю» Вселенной, действует сила притяжения, пропорциональная массе заключенного в ней вещества, вследствие чего это тело будет стремиться к центру Вселенной – конечная Вселенная, вещество которой равномерно распределено во всем ее ограниченном объеме, обречена на сжатие, которое никогда не сменится расширением без какого-то внешнего воздействия.

Таким образом, все возражения, или парадоксы направленные, как считают, против возможности существования бесконечной во времени и пространстве Вселенной, в действительности направлены против возможности существования именно конечной Вселенной. В действительности, Вселенная бесконечна и в пространстве, и во времени; бесконечна в том смысле, что ни размеры Вселенной, ни количество заключенного в ней вещества, ни время ее жизни не могут быть выражены никакими, сколь угодно большими числами – бесконечность, она и есть бесконечность. Бесконечная Вселенная никогда не возникала ни как результат внезапного и необъяснимого расширения и дальнейшего развития некоторого «доматериального» объекта, ни как результат Божественного творения.

Надо полагать, тем не менее, что приведенные выше доводы покажутся сторонникам теории Большого взрыва абсолютно неубедительными. Как считает известный ученый Х. Альвен «Чем меньше существует научных доказательств, тем более фанатичной делается вера в этот миф. Похоже на то, что в теперешней интеллектуальной атмосфере огромным преимуществом космологии «Большого взрыва» служит то, что она является оскорблением здравого смысла: credo, quia absurdum (верю, ибо абсурдно)» (цитируется по ). К сожалению, с некоторых пор «фанатичная вера» в ту или иную теорию является традицией: чем больше появляется доказательств научной несостоятельности таких теорий, тем более фанатичной становится вера в их абсолютную непогрешимость.

В свое время, полемизируя с известным церковным реформатором Лютером, Эразм Роттердамский писал: «Здесь, я знаю, некоторые, зажав уши, конечно закричат: «Эразм посмел сразиться с Лютером!» То есть муха со слоном. Если кто-нибудь захочет приписать это моему слабоумию или невежеству, то я с ним не стану спорить, только пусть даже и слабоумным – пусть даже научения ради – разрешат поспорить с теми, кого Бог одарил богаче... Может быть, мое мнение меня обманывает; поэтому я хочу быть собеседником, а не судьей, исследователем, а не основоположником; я готов учиться у каждого, кто предлагает что-то более правильное и достоверное... Если же читатель увидит, что оснастка моего сочинения равна той, которая имеется у противоположной стороны, тогда он сам взвесит и рассудит, что имеет большее значение: суждение всех просвещенных людей..., всех университетов..., или же частное мнение того или иного человека... Я знаю, в жизни нередко случается, что большая часть побеждает лучшую. Я знаю, что при исследовании истины никогда не лишне добавить свое прилежание к тому, что было сделано прежде».

Этими словами мы и закончим наше краткое исследование.

Источники информации:

1. Климишин И.А. Релятивистская астрономия. М.: Наука, 1983.
2. Хокинг С. От большого взрыва до черных дыр. М.: Мир, 1990.
3. Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. М.: Наука, 1983.
4. Гинзбург В.Л. О физике и астрофизике. Статьи и выступления. М.: Наука, 1985.

Первая брешь в этой спокойной классической космологии была пробита еще в XVIII в. В 1744 г. астроном Р. Шезо, известный открытием необычной «пятихвостой» кометы, высказал сомнение в пространственной бесконечности Вселенной. В ту пору о существовании звездных систем и не подозревали, поэтому рассуждения Шезо касались только звезд.

Если предположить, утверждал Шезо, что в бесконечной Вселенной существует бесчисленное множество звезд и они распределены в пространстве равномерно, то тогда по любому направлению взгляд земного наблюдателя непременно натыкался бы на какую-нибудь звезду. Легко подсчитать, что небосвод, сплошь усеянный звездами, имел бы такую поверхностную яркость, что даже Солнце на его Фоне казалось бы черным пятном. Независимо от Шезо в 1823 г. к таким же выводам пришел известный немецкий астроном Ф. Ольберс. Это парадоксальное утверждение получило в астрономии наименование фотометрического парадокса Шезо-Ольберса. Таков был первый космологический парадокс, поставивший под сомнение бесконечность Вселенной.

Устранить этот парадокс ученые пытались различными путями. Можно было допустить, например, что звезды распределены в пространстве неравномерно. Но тогда в некоторых направлениях на звездном небе было бы видно мало звезд, а в других, если звезд бесчисленное множество, их совокупная яркость создавала бы бесконечно яркие пятна, чего, как известно. нет.

Когда открыли, что межзвездное пространство не пусто, а заполнено разреженными газово-пылевыми облаками, некоторые ученые стали считать, что такие облака, поглощая свет звезд, делают из невидимыми для нас. Однако в 1938 г. академик В.Г. Фесенков доказал, что, поглотив свет звезд, газо-во-пылевые туманности вновь переизлучают поглощенную ими энергию, а это не избавляет нас от фотометрического парадокса.

В конце XIX в. немецкий астроном К. Зеелигер обратил внимание и на другой парадокс, неизбежно вытекающий из представлений о бесконечности Вселенной. Он получил название гравитационного парадокса. Нетрудно подсчитать, что в бесконечной Вселенной с равномерно распределенными в ней телами сила тяготения со стороны всех тел Вселенной па данное чело оказывается бесконечно большой или неопределенной. Результат зависит от способа вычисления, причем относительные скорости небесных тел могли быть бесконечно большими. Так как ничего похожего в космосе не наблюдается, Зеелигер сделал вывод, что количество небесных тел ограничено, а значит, Вселенная не бесконечна.

Эти космологические парадоксы оставались неразрешенными до двадцатых годов нашего столетия, когда на смену классической космологии пришла теория конечной и расширяющейся Вселенной.

Мы уже говорили о началах термодинамики и некоторых выводах из них. Мир полон энергии, которая подчиняется важнейшему закону природы - закону сохранения энергии. При всех своих превращениях из одного вида в другой энергия не исчезает и не возникает из ничего. Общее количество энергии остается постоянным. Казалось бы, из этого закона неизбежно вытекает вечный круговорот материи во Вселенной. В самом деле, если в Природе при всех изменениях материи она не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы существования в другую, то Вселенная вечна, и материя, ее составляющая, пребывает в вечном круговороте. Таким образом, погасшие звезды снова превращаются в источник света и тепла. Никто, конечно, не знал как это происходит, но убеждение в том, что Вселенная в целом всегда одна и та же, было в прошлом веке почти всеобщим.

Тем неожиданнее прозвучал вывод из второго закона термодинамики, открытого в прошлом веке англичанином У. Кельвином и немецким физиком Р. Клаузиусом. При всех превращениях различные виды энергии в конечном счете переходят в тепло, которое, будучи предоставлено себе, стремится к состоянию термодинамического равновесия, то есть рассеивается в пространстве. Так как такой процесс рассеяния тепла необратим, то рано или поздно все звезды погаснут, псе активные процессы в Природе прекратятся и Вселенная превратится в мрачное замерзшее кладбище. Наступит «тепловая смерть Вселенной».

Ошеломляющее впечатление, произведенное на естествоиспытателей прошлого века вторым началом термодинамики, было особенно сильно еще и потому, что вокруг себя, в окружающей нас Природе они не видели фактов, его опровергающих. Наоборот, все, казалось, подтверждало мрачные прогнозы Клаузиуса.

Конечно, есть в Природе и антиэнтропийные процессы, при которых беспорядок, а значит, и энтропия уменьшаются. Таковы процессы, происходящие в органическом мире, в человеческой деятельности. Но при более глубоком рассмотрении ситуации всегда оказывается, что уменьшение беспорядка в одном месте неизбежно сопровождается его увеличением в другом. Более того, возникший по вине человека беспорядок значительно превышает тот порядок, который он внес в Природу, так что в конечном счете энтропия и тут продолжает расти. Встать на позицию Клаузнуса - это значит признать, что Вселенная имела когда-то начало и неизбежно будет иметь конец. Действительно, если бы в прошлом Вселенная существовала вечно, то в ней давно наступило бы состояние тепловой смерти, а так как этого нет, то, по убеждению Клаузиуса и многих других его современников, Вселенная была сотворена сравнительно недавно. А в будущем, если не случится какое-нибудь чудо. Вселенную ждет тепловая смерть.

На опровержение второго начала термодинамики были брошены силы всех материалистически мыслящих ученых. Так, в 1895 г. Людвиг Больцман предложил свою вероятностную трактовку второго начала. По его гипотезе, возрастание энтропии происходит потому, что состояние беспорядка всегда более вероятно, чем состояние порядка. Но это не означает, что процессы противоположного характера, то есть самопроизвольные с уменьшением энтропии, абсолютно невозможны. Они в принципе возможны, хотя и крайне маловероятны.

Всюду мы наблюдаем, как тепло от более горячего тела переходит к более холодному. Однако в принципе возможно и другое: кусок льда, брошенный в печь, увеличит ее жар. Не исключено и такое событие, что все молекулы воздуха в нашей комнате соберутся вдруг в одном ее углу, а вы погибнете от удушья в другом. Наконец, возможно, что обезьяна, посаженная за пишущую машинку, случайно выстучит пальцем сонет Шекспира. Все эти события возможны, но вероятность их близка к нулю. Такова же, по Больцману, вероятность существования нас с вами.

Больцман не сомневался, что Вселенная бесконечна в пространстве и времени. В основном и почти всегда она пребывает в состоянии тепловой смерти. Однако иногда в некоторых ее районах возникают крайне маловероятные отклонения (флуктуации) от обычного состояния Вселенной. К одной из них принадлежит Земля и весь видимый нами космос. В целом же Вселенная - безжизненный мертвый океан с некоторым количеством островков жизни.

Гипотеза Больцмана хотя и подвергла сомнению всеобщность и строгую обязательность второго начала, не смогла удовлетворить оптимистически мыслящих ученых. К тому же и расчеты показали, что вероятность возникновения такой гигантской флуктуации в пространстве практически равна нулю.

Были и другие попытки объяснить этот термодинамический парадокс, но они так же не увенчались успехом.

Три космологических парадокса: фотометрический, гравитационный и термодинамический - заставили ученых серьезно усомниться в бесконечности и вечности Вселенной. Именно - они заставили А. Эйнштейна в 1917 г. выступить с гипотезой о конечной, но безграничной Вселенной.

Предположим, что вещество, составляющее планеты, звезды и звездные системы, равномерно рассеяно по всему мировому пространству. Тем самым мы допускаем, что Вселенная всюду однородна и к тому же изотропна, то есть во всех направлениях имеет одинаковые свойства. Будем считать, что средняя плотность вещества во Вселенной выше так называемой критической плотности. Если все эти требования соблюдены, мировое пространство, как это доказал Эйнштейн, замкнуто и представляет собой четырехмерную сферу, для которой верна не привычная школьная геометрия Евклида, а геометрия Римана.

Современная космология - это астрофизическая теория структуры и динамики изменения Метагалактики, включающая в себя и определенное понимание свойств всей Вселенной. Космология основывается на астрономических наблюдениях Галактики и других звездных систем, общей теории относительности, физике микропроцессов и высоких плотностей энергии, релятивистской термодинамике и ряде других новейших физических теорий.
Данное определение космологии берет в качестве предмета этой науки только Метагалактику. Это связано с тем, что все данные, которыми располагает современная наука, относятся только к конечной системе - Метагалактике, и ученые не уверены, что при простой экстраполяции свойств этой Метагалактики на всю Вселенную будут получены истинные результаты. При этом, безусловно, суждения о свойствах всей Вселенной являются необходимой составной частью космологии. Космология сегодня является фундаментальной наукой. И она больше, чем какая-либо другая фундаментальная наука, связана с различными философскими концепциями, по-разному понимающими устройство мира.
Космология берет свое начало в представлениях древних, в частности в. древнегреческой мифологии, где очень подробно и достаточно систематизированно рассказывается о сотворении мира и его устройстве. Впрочем, мифология любого народа, достаточно развитого для того, чтобы создавать космологические мифы, может похвастаться не менее интересными идеями. И это не случайно. Огромный мир вокруг нас всегда волновал человека. Он с давних времен старался понять, как устроен этот мир, что такое в этом мире Солнце, звезды, планеты, как они возникли. Это - из разряда тех вопросов, которые принято называть «вечными», человек никогда не перестанет искать ответа на них.
После того как появилась философия, пришедшая вместе с наукой на смену мифологии, ответ на эти вопросы стали искать в основном в рамках философских концепций, причем почти каждый философ считал своим долгом затронуть их. Общепризнанным итогом античной космологии стала геоцентрическая концепция Птолемея, просуществовавшая в течение всего Средневековья.
С приходом Нового времени философия уступила свое первенство в создании космологических моделей науке, которая добилась особенно больших успехов в XX веке, перейдя от различных догадок в этой области к достаточно обоснованным фактам, гипотезам и теориям. При этом далеко не все ученые согласны с вышеприведенным определением космологии, многие считают ее учением о Вселенной в целом, то есть учением обо всем, что существует.
Отвечая на закономерный вопрос, откуда мы можем знать, что происходит в масштабах Вселенной, они исходили из очень популярной методологической установки, предполагающей, что на разных уровнях существования природы повторяются одни и те же законы, одно и то же устройство материальных систем. Различия могут быть лишь в масштабах. Такова, например, космология Фурнье Дальба, английского физика, появившаяся в 1911 году. Его Вселенная чем-то похожа на матрешку: "Вселенные существуют одна в другой, меньшие внутри больших, и в их устройстве проявляются одни и те же правила. К этому времени уже были открыты первые элементарные частицы и создана планетарная модель атома. Так почему было не предположить, что ядро атома - это солнце, а электроны - планеты, на которых даже могут жить люди. И где гарантия, что наш мир не является такой же элементарной частицей для Мегамира.
Тем не менее, несмотря на всю грандиозность этой идеи, Вселенная, устроенная по этому принципу, достаточно скучна и однообразна. В таком случае она представляет собой бесконечную совокупность одинаковых предметов.
Реальная природа куда сложнее и многообразнее. Переход от одних масштабов к другим, если этот переход достаточно велик, сопровождается и коренными качественными изменениями. Микромир, о котором мы уже говорили, оказался совсем не похожим на то, что, изучают астрономы. Что же касается Мегамира, несмотря на естественную ограниченность наших размеров и знаний, есть все основания утверждать, что с переходом к космическим масштабам нам нередко приходится встречаться с чем-то принципиально новым, неведомым в земной человеческой практике.

НАЧАЛО НАУЧНОЙ КОСМОЛОГИИ

Основателем научной космологии считается Николай Коперник, который поместил Солнце в центр Вселенной и низвел Землю до положения рядовой планеты Солнечной системы. Конечно, он был весьма далек от правильного понимания устройства мира. Так, по его убеждению, за орбитами пяти известных в то время планет располагалась сфера неподвижных звезд. Звезды на этой сфере считались равноудаленными от Солнца, а природа их была неясной. Коперник не видел в них тел, подобных Солнцу, и, будучи служителем церкви, склонялся к мнению, что за сферой неподвижных звезд находится «эмпирей», или «жилище блаженных» - обитель сверхъестественных тел и существ.
В одном Коперник был твердо уверен - радиус сферы неподвижных звезд должен был быть очень велик. Иначе было бы трудно объяснить, почему с движущейся вокруг Солнца Земли звезды кажутся неподвижными.
Поставьте перед лицом указательный палец и посмотрите на него попеременно то правым, то левым глазом - палец будет смещаться на фоне более далеких предметов, например, стены. Такое кажущееся смещение предмета при изменении позиции наблюдателя называется параллактическим смещением. Расстояние между крайними точками наблюдения называется базисом. Чем больше базис, тем больше и параллактическое смещение. Чем дальше от нас наблюдаемый предмет, тем меньше параллактическое смещение. Отодвиньте палец от лица и вы легко в этом убедитесь.
Хотя расстояние от Земли до Солнца во времена Коперника в точности не было известно, многие факты говорили о том, что оно весьма велико. Казалось бы, при этом звезды должны описывать на небе маленькие окружности - своеобразное отражение действительного обращения Земли вокруг Солнца. Но такие параллактические смещения звезд явно отсутствовали, из" чего Коперник и сделал вывод о колоссальных размерах сферы неподвижных звезд.
Вселенная по Копернику - мир в скорлупе. В этой модели легко найти немало пережитков средневекового мировоззрения. Но прошло всего несколько десятилетий, и Джордано Бруно разбил коперниковскую «скорлупу» неподвижных звезд.
Д. Бруно считал звезды далекими солнцами, согревающими бесчисленные планеты других планетных систем. Бруно считал глупцом того, кто мог думать, что могучие и великолепные мировые системы, заключающиеся в беспредельном пространстве, лишены живых существ. Так прозвучала беспредельно смелая по тем временам мысль о пространственной бесконечности Вселенной. Он считал, что Вселенная бесконечна, что существует бесчисленное число миров, подобных миру Земли. Он полагал, что Земля есть светило, и что ей подобны Луна и другие светила, число которых бесконечно, и что все эти небесные тела образуют бесконечность миров. Он представлял себе бесконечную Вселенную, заключающую в себе бесконечное множество миров.
Идеи Бруно намного обогнали его век. Но он не мог привести ни одного факта, который бы подтверждал его космологию -космологию бесконечной, вечной и населенной Вселенной.
Прошло всего десятилетие, и Галилео Галилей в изобретенный им телескоп увидел в небе то, что до сих пор оставалось скрытым для невооруженного глаза. Горы на Луне наглядно доказывали, что Луна и в самом деле есть мир, похожий на Землю. Спутники Юпитера, кружащиеся вокруг величайшей из планет, походили на наглядное подобие Солнечной системы. Смена фаз Венеры не оставляла сомнений в том, что эта освещенная Солнцем планета действительно обращается вокруг него. Наконец, множество невидимых глазом звезд и особенно удивительная звездная россыпь, составляющая Млечный путь, - разве все это не подтверждало учение Бруно о бесчисленных солнцах и землях? С другой стороны, темные пятна, увиденные Галилеем на Солнце, опровергали учение Аристотеля и других древних философов о неприкосновенной чистоте небес. Небесные тела оказались похожими на Землю, и это сходство земного и небесного заставляло постепенно отказаться от ошибочного представления о Солнце как центре всего Мироздания.
Современник и друг Галилея, Иоганн Кеплер, уточнил законы движения планет, а великий Исаак Ньютон доказал, что все тела во Вселенной независимо от размеров, химического состава, строения и других свойств взаимно тяготеют друг к другу. Космология Ньютона вместе с успехами астрономии XVIII и XIX веков определила то мировоззрение, которое иногда называют классическим. Оно стало итогом начального этапа развития научной космологии.
Эта классическая модель достаточно проста и понятна. Вселенная считается бесконечной в пространстве и во времени, иными словами, вечной. Основным законом, управляющим движением и развитием небесных тел, является закон всемирного тяготения. Пространство никак не связано с находящимися в нем телами и играет пассивную роль вместилища для этих тел. Исчезни вдруг все эти тела, пространство и время сохранились бы неизменными. Количество звезд, планет и звездных систем во Вселенной бесконечно велико. Каждое небесное тело проходит длительный жизненный путь. И на смену погибшим, точнее, погасшим звездам вспыхивают новые, молодые светила. Хотя детали возникновения и гибели небесных тел оставались неясными, в основном эта модель казалась стройной и логически непротиворечивой. В таком виде эта классическая модель господствовала в науке вплоть до начала XX века.
Бесконечности Вселенной в пространстве гармонично соответствовала ее вечность во времени. Ныне, миллиард лет назад, миллиарды лет в будущем она останется, в сущности, одной и той же. Неизменность космоса как бы подчеркивала бренность, непостоянство всего земного.

КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАДОКСЫ

Первая брешь в этой спокойной классической космологии была пробита еще в XVIII в. В 1744 г. астроном Р. Шезо, известный открытием необычной «пятихвостой» кометы, высказал сомнение в пространственной бесконечности Вселенной. В ту пору о существовании звездных систем и не подозревали, поэтому рассуждения Шезо касались только звезд.
Если предположить, утверждал Шезо, что в бесконечной Вселенной существует бесчисленное множество звезд и они распределены в пространстве равномерно, то тогда по любому направлению взгляд земного наблюдателя непременно натыкался бы на какую-нибудь звезду. Легко подсчитать, что небосвод, сплошь усеянный звездами, имел бы такую поверхностную яркость, что даже Солнце на его фоне казалось бы черным пятном. Независимо от Шезо в 1823 г. к таким же выводам пришел известный немецкий астроном Ф. Ольберс. Это парадоксальное утверждение получило в астрономии наименование фотометрического парадокса Шезо-Ольберса. Таков был первый космологический парадокс, поставивший под сомнение бесконечность Вселенной.
Устранить этот парадокс ученые пытались различными путями. Можно было допустить, например, что звезды распределены в пространстве неравномерно. Но тогда в некоторых направлениях на звездном небе было бы видно мало звезд, а в других, если звезд бесчисленное множество, их совокупная яркость создавала бы бесконечно яркие пятна, чего, как известно, нет.
Когда открыли, что межзвездное пространство не пусто, а заполнено разреженными газово-пылевыми облаками, некоторые ученые стали считать, что такие облака, поглощая свет звезд, делают из невидимыми для нас. Однако в 1938 г. академик В. Г. Фесенков доказал, что, поглотив свет звезд, газово-пылевые туманности вновь переизлучают поглощенную ими энергию, а это не избавляет нас от. фотометрического парадокса.
В конце XIX в. немецкий астроном К. Зеелигер обратил внимание и на другой парадокс, неизбежно вытекающий из представлений о бесконечности Вселенной. Он получил название гравитационного парадокса. Нетрудно подсчитать, что в бесконечной Вселенной с равномерно распределенными в ней телами сила тяготения со стороны всех тел Вселенной на данное тело оказывается бесконечно большой или неопределенной. Результат зависит от способа вычисления, причем относительные скорости небесных тел могли быть бесконечно большими. Так как ничего похожего в космосе не наблюдается, Зеелигер сделал вывод, что количество небесных тел ограничено, а значит, Вселенная не бесконечна.
Эти космологические парадоксы оставались неразрешенными до двадцатых годов нашего столетия, когда на смену классической космологии пришла теория конечной и расширяющейся Вселенной.
Мы уже говорили о началах термодинамики и некоторых выводах из них. Мир полон энергии, которая подчиняется важнейшему закону природы - закону сохранения энергии. При всех своих превращениях из одного вида в другой энергия не исчезает и не возникает из ничего. Общее количество энергии остается постоянным. Казалось бы, из этого закона неизбежно вытекает вечный круговорот материи во Вселенной. В самом деле, если в Природе при всех изменениях материи она не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы существования в другую, то Вселенная вечна, и материя, ее составляющая, пребывает в вечном круговороте. Таким образом, погасшие звезды снова превращаются в источник света и тепла. Никто, конечно, не знал, как это происходит, но убеждение в том, что Вселенная в целом всегда одна и та же, было в прошлом веке почти всеобщим.
Тем неожиданнее прозвучал вывод из второго закона термодинамики, открытого в прошлом веке англичанином У. Кельвином и немецким физиком Р. Клаузиусом. При всех превращениях различные виды энергии в конечном счете переходят в тепло, которое, будучи предоставлено себе, стремится к состоянию термодинамического равновесия, то есть рассеивается в пространстве. Так как такой процесс рассеяния тепла необратим, то рано или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в Природе прекратятся и Вселенная превратится в мрачное замерзшее кладбище. Наступит «тепловая смерть Вселенной».
Ошеломляющее впечатление, произведенное на естествоиспытателей прошлого века вторым началом термодинамики, было особенно сильно ещ>- и потому, что вокруг себя, в окружающей нас Природе они не видели фактов, его опровергающих. Наоборот, все, казалось, подтверждало мрачные прогнозы Клаузиуса.
Конечно, есть в Природе и антиэнтропийные процессы, при которых беспорядок, а значит, и энтропия уменьшаются. Таковы процессы, происходящие в органическом мире, в человеческой деятельности. Но при более глубоком рассмотрении ситуации всегда оказывается, что уменьшение беспорядка в одном месте неизбежно сопровождается его увеличением в другом. Более того, возникший по вине человека беспорядок значительно превышает тот порядок, который он внес в Природу, так что в конечном счете энтропия и тут продолжает расти.
Встать на позицию Клаузиуса - это значит признать, что Вселенная имела когда-то начало и неизбежно будет иметь конец. Действительно, если бы в прошлом Вселенная существовала вечно, то в ней давно наступило бы состояние тепловой смерти, а так как этого нет, то, по убеждению Клаузиуса и многих других его современников, Вселенная была сотворена сравнительно недавно. А в будущем, если не случится какое-нибудь чудо, Вселенную ждет тепловая смерть.
На опровержение второго начала термодинамики были брошены силы всех материалистически мыслящих ученых. Так, в 1895 г. Людвиг Больцман предложил свою вероятностную трактовку второго начала. По его гипотезе, возрастание энтропии происходит потому, что состояние беспорядка всегда более вероятно, чем состояние порядка. Но это не означает, что процессы противоположного характера, то есть самопроизвольные с уменьшением энтропии, абсолютно невозможны. Они в принципе возможны, хотя и крайне маловероятны.
Всюду мы наблюдаем, как тепло от более горячего тела переходит к более холодному. Однако в принципе возможно и другое: кусок льда, брошенный в печь, увеличит ее жар. Не исключено и такое событие, что все молекулы воздуха в нашей комнате соберутся вдруг в одном ее углу, а вы погибнете от удушья в другом. Наконец, возможно, что обезьяна, посаженная за пишущую машинку, случайно выстучит пальцем сонет Шекспира. Все эти события возможны, но вероятность их близка к нулю. Такова же, по Больцману, вероятность существования нас с вами.
Больцман не сомневался, что Вселенная бесконечна в пространстве и времени. В основном и почти всегда она пребывает в состоянии тепловой смерти. Однако иногда в некоторых ее районах возникают крайне маловероятные отклонения (флуктуации) от обычного состояния Вселенной. К одной из них принадлежит Земля и весь видимый нами космос. В целом же Вселенная - безжизненный мертвый океан с некоторым количеством островков жизни.
Гипотеза Больцмана хотя и подвергла сомнению всеобщность и строгую обязательность второго начала, не смогла удовлетворить оптимистически мыслящих ученых. К тому же и расчеты показали, что вероятность возникновения такой гигантской флуктуации в пространстве практически равна нулю.
Были и другие попытки объяснить этот термодинамический парадокс, но они так же не увенчались успехом.
Три космологических парадокса: фотометрический, гравитационный и термодинамический - заставили ученых серьезно усомниться в бесконечности и вечности Вселенной. Именно они заставили А. Эйнштейна в 1917г. выступить с гипотезой о конечной, но безграничной Вселенной.
Предположим, что вещество, составляющее планеты, звезды и звездные системы, равномерно рассеяно по всему мировому пространству. Тем самым мы допускаем, что Вселенная всюду однородна и к тому же изотропна, то есть во всех направлениях имеет одинаковые свойства. Будем считать, что средняя плотность вещества во Вселенной выше так называемой критической плотности. Если все эти требования соблюдены, мировое пространство, как это доказал Эйнштейн, замкнуто и представляет собой четырехмерную сферу, для которой верна не привычная школьная геометрия Евклида, а геометрия Римана.

НЕЕВКЛИДОВЫ ГЕОМЕТРИИ

Мы привыкли, что в двухмерном пространстве, то есть на плоскости, есть своя, присущая только плоскости геометрия. Так, сумма углов в любом треугольнике равна 180°. Через точку, лежащую вне прямой, можно провести только одну прямую, параллельную данной. Это - постулаты Евклидовой геометрии. По аналогии предполагается, что и реальное трехмерное пространство, в котором мы с вами существуем, есть евклидово пространство. И все аксиомы плоскостной геометрии остаются верными и для пространства трех измерений. Такой вывод на протяжении многих веков не подвергался сомнению. Лишь в прошлом веке независимо друг от друга русский математик Николай Лобачевский и немецкий математик Георг Риман усомнились в общепризнанном мнении. Они доказали, что могут существовать и иные геометрии, отличные от евклидовой, но столь же внутренне непротиворечивые.
Итак, пятый постулат Евклида утверждает, что через точку вне прямой можно провести лишь одну прямую, параллельную данной. Логически рассуждая, легко увидеть еще две возможности:
- через точку вне прямой нельзя провести ни одной прямой, параллельной данной (постулат Римана);
- через точку вне прямой можно провести бесчисленное множество прямых, параллельных данной (постулат Лобачевского).
На первый взгляда эти утверждения звучат абсурдно. На плоскости они и в самом деле неверны. Но ведь могут существовать и иные поверхности, где имеют место постулаты Римана и Лобачевского.
Представьте себе, например, поверхность сферы. На ней кратчайшее расстояние между двумя точками отсчитывается не по прямой (на поверхности сферы прямых нет), а по дуге большого круга (так называют окружности, радиусы которых равны радиусу сферы). На земном шаре подобными кратчайшими, или, как их называют, геодезическими, линиями служат меридианы. Все меридианы, как известно, пересекаются в полюсах, и каждый из них можно считать прямой, параллельной данному меридиану. На сфере выполняется своя, сферическая геометрия, в которой верно утверждение:
сумма углов треугольника всегда больше 180°. Представьте себе на сфере треугольник, образованный двумя меридианами и дугой экватора. Углы между меридианами и экватором равны 90°, а к их сумме прибавляется угол между меридианами с вершиной в полюсе. На сфере, таким образом, нет непересекающихся прямых.
Существуют и такие поверхности, для которых оказывается верным постулат Лобачевского. К ним относится, например, седловидная поверхность, которая называется псевдосферой. На ней сумма углов треугольника меньше 180°, и невозможно провести ни одной прямой, параллельной данной.
После того, как Риман и Лобачевский доказали внутреннюю непротиворечивость своих геометрий, возникли законные сомнения в евклидовом характере реального трехмерного пространства. Не является ли оно искривленным наподобие сферы или псевдосферы? Конечно, наглядно представить себе искривленность трехмерного пространства невозможно. Можно лишь рассуждать по аналогии. Поэтому, если реальное пространство не евклидово, а сферическое, не следует воображать его себе в виде некоторой 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 в конечном количестве кубометров. Такое сферическое пространство не имеет границ и в этом смысле - безгранично. Летя в таком пространстве по одному направлению, мы в конце концов вернемся в исходную точку. Так же и муха, ползущая по поверхности шара, нигде не найдет границ. В этом смысле и поверхность любого шара безгранична, хотя и конечна. То есть безграничность и бесконечность - разные понятия.

МОДЕЛЬ РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ

Итак, вернемся к Эйнштейну, из расчетов которого 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 возможно облететь всю замкнутую Вселенную, двигаясь все время в одном и том же 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 по Эйнштейну, содержит хотя и большое, но все-таки конечное число звезд и звездных систем, а поэтому к ней фотометрический и гравитационный парадоксы просто неприменимы. 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.
Пять лет спустя, в 1922 г., советский физик Александр Фридман на основании строгих расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна никак не может быть стационарной, неизменной, как это считал Эйнштейн. Вселенная непременно должна расширяться, причем речь идет о расширении самого пространства, то есть об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.
Идея Фридмана поначалу показалась Эйнштейну слишком смелой и необоснованной. Он даже заподозрил ошибку в вычислениях. Но, ознакомившись с ними, он публично признал, что мы живем в расширяющейся Вселенной.
Из расчетов Фридмана вытекали три возможных следствия:
Вселенная и ее пространство расширяются с течением времени;
Вселенная сжимается; во Вселенной чередуются через большие промежутки времени циклы сжатия и расширения.
Доказательства в пользу модели расширяющейся Вселенной были получены в 1926 г., когда американский астроном Э. Хаббл открыл при исследовании спектров далеких галактик (существование которых было доказано в 1923 г. тем же Хабблом) красное смещение спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра), что было истолковано как следствие эффекта Допплера (изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника излучения и наблюдателя по отношению друг к другу) - удаление этих галактик друг от друга со скоростью, которая возрастает с расстоянием. По последним измерениям, это увеличение скорости расширения составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек. После этого открытия вывод Фридмана о нестационарности Вселенной получил подтверждение и в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной.
Наблюдаемое нами разбегание галактик есть следствие расширения всего пространства замкнутой конечной Вселенной. При таком расширении пространства все расстояния во Вселенной увеличиваются подобно тому, как растут расстояния между пылинками на поверхности раздувающегося мыльного пузыря. Каждую из таких пылинок, как и каждую из галактик, можно с полным правом считать центром расширения.
Дальнейшее развитие модель расширяющейся Вселенной получила в послевоенные годы и особенно в последние десятилетия благодаря исследованиям известных отечественных космологов Зельдовича и Новикова. Уточнены величины, характеризующие скорость расширения Вселенной, рассмотрены различные варианты моделей Вселенной в зависимости от средней плотности вещества в мировом пространстве, достаточно подробно намечен ход эволюции Вселенной от момента начала ее расширения.
Какое же будущее ждет нашу Вселенную? Мы уже упоминали, что расчеты Фридмана допускали три варианта развития событий. По какому из них идет эволюция Вселенной, зависит от отношения гравитационной энергии к кинетической энергии разлетающегося вещества. Это отношение можно свести к отношению плотности вещества во Вселенной к критической плотности вещества, которую мы уже упоминали.
Если кинетическая энергия разлета вещества преобладает над гравитационной энергией, препятствующей разлету, то силы тяготения не остановят разбегания галактик и расширение Вселенной носит необратимый характер. Это выражается условием P/Pk, -< 1, (где р - плотность вещества во Вселенной, Рk - критическая плотность вещества). Этот вариант динамичной модели Вселенной называют «открытой Вселенной». Если же преобладает гравитационное взаимодействие, чему соответствует условие р/рk > 1 , 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). Для наблюдателя сигналом перехода от расширения к сжатию станет смена красного смещения линий химических элементов в спектрах удаленных галактик на фиолетовое смещение. Такой вариант модели назван «закрытой Вселенной». В случае, когда силы гравитации точно равны кинетическим силам, то есть когда р/рk = 1, 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.
Возникает естественный вопрос: какой из трех вариантов реализуется в нашей Вселенной? Ответ на него остается за наблюдательной астрономией, которая должна оценить современную среднюю плотность вещества во Вселенной и уточнить значение постоянной Хаббла (скорость расширения галактик). Пока надежные оценки этих величин отсутствуют. На основании современных данных создается впечатление, что средняя плотность вещества во Вселенной близка к критическому значению, она либо немного больше, либо немного меньше. Но от этого «немного» зависит будущее Вселенной, правда, весьма отдаленное. Постоянная Хаббла позволяет оценить время, в течение которого продолжается процесс расширения Вселенной. Получается, что оно не меньше 10 млрд. и не более 19 млрд. лет. Наиболее вероятным временем существования расширяющейся Вселенной считают 15 млрд. лет.

НЕКОТОРЫЕ ТРУДНОСТИ ГИПОТЕЗЫ РАСШИРЯЮЩЕЙСЯ ВСЕЛЕННОЙ

Все, что здесь до сих пор было сказано, - это только гипотезы, основанные на некоторых реальных фактах. Однако те же самые факты можно трактовать и иначе.
Так, неоднократно предпринимались попытки истолковать красное смещение не как следствие эффекта Допплера и расширения Вселенной, а как следствие уменьшения энергии и собственной частоты фотонов при движении их в течение многих миллионов лет в межгалактическом пространстве, в результате взаимодействия с гравитационными полями, фоном нейтрино, не наблюдаемой пока материей. Подобные попытки отвергались на том основании, что они были основаны на допущении некоторого неизвестного еще закона природы и феномена взаимодействия излучения с другими видами материи.
Но дело в том, что принятие красного смещения как следствия эффекта Допплера ведет к следствиям, которые, если их принять, основываются на совокупности еще более неясных и неизвестных законов природы, причем их число намного больше, чем в указанной гипотезе. Сегодня есть данные наблюдений квазаров. Спектральные линии квазаров имеют аномальное высокое красное смещение - 2,5 - 2,8. Это значит, что если бы такое красное смещение было обусловлено эффектом Допплера, то скорость удаления квазаров в 2,5 - 2,8 раза превышала бы скорость света, что невозможно. Отсюда следует, что большая часть красного смещения квазаров обусловлена чрезвычайно мощным полем тяготения, то есть является гравитационным. Если в других галактиках имеются подобные объекты, то их гравитационное красное смещение будет существенно влиять на общее красное смещение, вследствие чего картина динамики галактик и расстояний до них окажется иной по сравнению с чисто кинематической трактовкой красного смещения. Ведь сейчас обнаружены чрезвычайно отдаленные галактики, красному смещению которых соответствует, по эффекту Допплера, скорость. взаимного удаления в 150 тыс. км/с, и, видимо, эта скорость далее возрастает еще больше, приближаясь к скорости света, пока галактики не исчезают за горизонтом принципиальной наблюдаемости. Такая чудовищная кинетическая энергия, сопоставимая с энергией массы покоя галактик, не может быть выведена ни из каких физических законов.
Также необоснованно утверждение о возможности перехода всей материи в точечную сингулярность. Ведь в релятивистской астрофизике допускается существование не одной, а очень многих относительных сингулярностей в центрах черных дыр, которые, однако, имеют конечную протяженность и массу, взаимодействуют с окружением и даже постепенно «испаряются» в результате просачивания частиц во внешнее пространство через потенциальный барьер.
Возникают противоречия и в объяснении самого феномена расширения. Если расширение является действительным физическим процессом, то оно происходит за счет «вторжения» расширяющейся Вселенной либо в вакуум типа псевдоевклидова пространства, либо в пространство других космических систем Вселенной. Существование абсолютного вакуума нельзя допустить, ибо пространство является атрибутом материи и вне ее не существует. Остается признать расширение во внутреннее пространство других материальных систем, которые сами могут как сжиматься, так и расширяться, развиваясь по собственным законам. Но тогда современная космологическая теория будет охватывать лишь Метагалактику.
Можно, правда, встать на другую точку зрения и допустить, что расширение Вселенной действительно происходит, но никакого внешнего объемлющего пространства и других космических систем не существует; просто само пространство как бы создается в процессе расширения Вселенной, в том смысле, что с течением времени увеличивается расстояние между любыми точками и изменяется геометрия пространства.
Но такая точка зрения заключает в себе внутренние противоречия. Если бы было расширение пространства самого по себе, то происходило бы увеличение размеров всех материальных систем: элементарных частиц, атомов, молекул, планет, звезд, галактик, причем в той же пропорции, что и увеличение расстояний между галактиками. Между тем ничего подобного в мире не происходит, имеется расширение только в масштабах Метагалактики.
В литературе по космологии высказывается мнение, что различные космологические модели Вселенной, выдвинутые на основе решения уравнений общей теории относительности, могут характеризовать не просто одну нашу Вселенную, но разные состояния Вселенной в разные периоды ее существования в прошлом и будущем, аналогично потенциально возможным мирам в концепции Лейбница. Все, что не запрещено законами природы, где-нибудь и когда-нибудь может быть реализовано.

План семинарского занятия (2 часа)

1. Предмет космологии.
2. История научной космологии.
3. Космологические парадоксы и кризис классической космологической модели.
4. Модель расширяющейся Вселенной.

Темы докладов и рефератов

1. Неевклидовы геометрии, их роль в современной науке.
2. Отражение космологических проблем в современной научно-фантастической литературе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вайнберг С. Первые три минуты. М., 1981.
2. Гивишешч Г.В. Есть ли у естествознания альтернатива богу//Вопросы философии. 1995. №2.
3. Демин В. Н., Селезнев В.П. Мироздание постигая...М., 1989.
4. Зигель Ф.Ю. Неисчерпаемость бесконечности. М., 1984.
5. Новиков ИД. Черные дыры и Вселенная. М., 1985.
6. Новиков ИД. Эволюция Вселенной. М., 1990.
7. Философские проблемы естествознания. М., 1985.

Лекция 10 - 11

Космологические модели Вселенной

Эволюция Вселенной

Основные проблемы создания модели:

v Объект исследования космологии (Вселенная) уникален, поэтому ее нельзя изучать с помощью статистических методов.

v Длительные периоды эволюции рассматриваемых явлений не позволяют вести прямых наблюдений.

Космология тесно связана с ОТО, т.к. для Вселенной характерны огромные расстояния, скорости и массы.

В истории космологии разрабатывалось несколько моделей Вселенной:

I. Стационарная модель (модель вечной бесконечной Вселенной) – существовала с древности до 20 века ; очень долго формировалась (до 17 в.).

Вопрос об устройстве мира издавна интересовал людей.

Версии – различные (Земля плоская и неподвижная и т.д.).

l Научная астрономия зародилась в Древней Греции. Ее итог – геоцентрическая система К. Птолемея (2 в. н.э. - «Альмагест» в 13 томах) – в течение многих веков не подвергалась серьезному сомнению.

l В 16 в. Н. Коперник разработал гелиоцентрическую систему (не во всем правильна: за орбитами 5 планет – сфера неподвижных звезд - «мир в скорлупе»).

l Д. Бруно - последователь Коперника – придерживался идеи о множественности миров и бесконечности Вселенной – считал звезды далекими Солнцами, вокруг которых тоже вращаются планеты, люди… Идеи Бруно намного опередили свое время, но доказать их он не смог .

l Г. Галилей – благодаря усовершенствованию телескопа рассмотрел космические объекты → вывод: они похожи на Землю (горы, кратеры на Луне…) → постепенный отказ от представления о Солнце как о центре Вселенной .

l И. Кеплер (современник Галилея, 17 в.) - установил законы движения планет .

l И. Ньютон – доказал, что все тела во Вселенной независимо от размеров, состава и т.д. взаимно тяготеют друг к другу .

Таким образом, Вселенная бесконечна в пространстве, но неизменна во времени , т.е. это система мира без начала и конца в пространственном и временном понимании, созданная Богом.

Классическая модель не объясняла ряд противоречий.

Космологические парадоксы

1. Фотометрический парадокс Шезо-Ольберса .

В 1744 г . астроном Шезо высказал сомнение в бесконечности Вселенной :

Если Вселенная бесконечна → в ней существует бесконечное множество звезд → все небо должно быть усеяно сверкающими точками, т.е. быть таким же ярким, как Солнце

(такой же вывод независимо в 1823 г . сделал немецкий астроном Ольберс ).

Ученые пытались устранить этот парадокс , чтобы доказать бесконечность Вселенной:

· Звезды распределены неравномерно (но тогда в ночном небе наряду с местами, где мало звезд, должны быть бесконечно яркие пятна, чего на самом деле нет).

· Свет поглощается межзвездным газом и пылью (недавно открыли) → они частично поглощают свет → многие звёзды невидимы (в начале 20 в. доказано, что они сначала поглощают, а потом снова переизлучают свет).

→ сомнение в бесконечности Вселенной .

2. Гравитационный парадокс Зеелигера (конец 19 в.)

Если Вселенная бесконечна, то интенсивность ее гравитационного поля тоже должна быть бесконечной (→ все должно слипнуться), а этого на самом деле нет.

→ Вселенная ограничена, а количество небесных тел конечно.

3. Термодинамический парадокс – связан с открытием вывода из 2 з-на термодинамики: «При всех превращениях различные виды энергии в конечном итоге переходят в тепло, которое стремится к состоянию термодинамического равновесия, т.е. рассеивается в пространстве ».

Т.к. этот процесс необратим – рано или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в природе прекратятся, и Вселенная превратится в мрачное замерзшее кладбище, т.е. наступит «тепловая смерть Вселенной».

В природе опровержения этому выводу пока не найдено → Вселенная когда-то имела начало и неизбежно будет иметь конец.

Т.о., космологические парадоксы заставили ученых усомниться в бесконечности и вечности Вселенной.

II. Модель горячей расширяющейся Вселенной

В основе – космологическая модель Эйнштейна (на базе ОТО):

ü Время существования Вселенной бесконечно .

ü Пространство во вселенной безгранично, но конечно и искривлено .

→ отпали фотометрический и гравитационный парадоксы, но термодинамический остался.

Н. Фридман (русский физик и математик), изучая ОТО, сделал вывод:

Искривленное пространство не может быть стационарным : оно должно либо расширяться, либо сужаться (Эйнштейн потом согласился).

Э. Хаббл (американский астроном) в 1929 г . – экспериментально доказал расширение Вселенной.

Для этого он использовал спектроскоп (прибор, позволяющий определить хим. состав в-в по спектрам, которые они испускают или поглощают).

Он обнаружил, что ЭМ-излучение, приходящее от далеких галактик, смещено к красной части спектра – явление красного смещения .

Но известно, что понижение частоты колебаний происходит при удалении источника света от наблюдателя (эффект Доплера ) (аналогичное звуковое явление - сигнал приближающегося поезда пронзителен, а удаляющегося – менее резкий).

→ Красное смещение доказывает, что галактики удаляются друг от друга («разбегание галактик» ) , т.е. Вселенная расширяется.

Н – постоянная Хаббла (~ 75-80 км/с·Мпк – пока не установлена точно).

L – расстояние до галактики.

После открытия красного смещения в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной («мыльный пузырь» с пылинками на поверхности). Во Вселенной отсутствует какой-либо «центр разбегания»: расширяется все межгалактическое пространство (→ картина будет одинаковой при наблюдении с любой галактики).

Зная постоянную Хаббла, можно оценить приблизительный возраст Вселенной – 12-15 млрд. лет (сейчас вычислено – 13,7 млрд. л.).

Следствие расширения Вселенной : мы можем видеть только те объекты, свет от которых успевает дойти до нас; далекие галактики «убегают» со скоростью света → мы не можем их видеть → существует граница наблюдаемой Вселенной.

Будущее Вселенной также можно рассчитать (на основе уравнений Фридмана), для этого надо знать массу вещества во Вселенной, т.е. массу всех галактик.

Пока ученые ее не знают, т.к., по оценкам, видимый материал во Вселенной (звезды, планеты, галактики) составляет ~ 1/10 часть ее массы , а всё остальное – темное вещество.

Величина критической плотности Вселенной (известна): ρ кр. = 10 -29 г/см 3 . на основании этого значения можно предположить – какое будущее ожидает нашу Вселенную?

Сценарии будущего Вселенной:

ü Если ρ Вс. > ρ кр . – расширение замедлится, сменится сжатием (т.к. преобладают силы гравитации). Сигнал – фиолетовое смещение; люди погибнут раньше гравитационного коллапса из-за мощного УФ-излучения.

ü Если ρ Вс. < ρ кр . – силы тяготения не остановят разбегания галактик - (сейчас).

ü Если ρ Вс. = ρ кр . - расширение замедлится и в дальнейшем прекратится (возможна пульсация).

Объяснение космического расширения – модель Большого Взрыва (Г.А. Гамов , 1948 ):

Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15 млрд. лет назад , когда всё вещество и энергия были сконцентрированы в одном сгустке огромной плотности и температуры. Вследствие быстрого расширения Космос стал быстро остывать.

Гамов считал, что Б. Взрыв должен был оставить «след» - микроволновое излучение малой энергии . Модель Гамова долго не принималась всерьез, пока не было открыто предсказанное им излучение.

Подтверждение теории – открытие «реликтового излучения» (Пензиас, Вильсон, 1964 г. , случайно) – приходит со всех сторон космического пространства, длина волны – 7 см , t = 3К (-270˚С) – свидетельство истории Вселенной (аналогично можно судить об истории Земли по остаткам вымерших животных).

Согласно теории Большого Взрыва, эволюция Вселенной происходила в 6 этапов.

I этап - Начальное состояние Вселенной (т.н. сингулярная точка)

Этап наиболее труден для объяснения и понимания . Для воссоздания самых первых мгновений Вселенной астрономы использовали данные физики элементарных частиц:

15 млрд. лет назад вся наблюдаемая нами Вселенная была сжата в комочек , при этом плотность вещества была чрезвычайно высокой – > 10 93 г/см 3 (если утрамбовать 10 84 10-тонных грузовых автомобилей в объем наперстка), а еготемпература была бесконечно большой (R Вс. = 0, ρ Вс. = ∞) .

Это начальное сверхплотное состояние называется сингулярностью . Известные законы физики в сингулярности не работают. Наука не может объяснить это состояние.

Закономерный вопрос – из чего образовалась сингулярность? Предполагается, что она порождена вакуумом , который и был начальной формой материи. Квантовая физика допускает, что вакуум может переходить в «возбужденное состояние» (т.н. «ложный вакуум», обладающий огромной энергией).

II этап – Большой Взрыв и раздувание Вселенной (инфляция ).

Состояние сингулярности чрезвычайно неустойчиво, в нем может возникать отрицательное давление (т.е. направленное внутрь среды). Отрицательное давление приводит к тому, что гравитационные силы становятся силами отталкивания → происходит безудержное и молниеносное расширение Вселенной (за 10 -30 сек – в 10 30 раз ) → Б. Взрыв . Скорость раздувания = 10 400 000 000 км/с.

Вместе с Б. Взрывом и началом расширения Вселенной возникает пространство и время.

В результате этого расширения гигантская энергия вакуума выделяется в виде излучения → Вселенная нагревается до t = 10 27 К . При такой температуре привычные нам частицы (атомы, молекулы) не могут существовать. Поэтомувещество было в форме сверхгорячей плазмы – смеси элементарных частиц (лептоны и кварки), которые взаимопревращались .

Потом Вселенная стала постепенно остывать (до t ~ 10 13 К ) кварки сливались, образуя нуклоны (p и n).

Таким образом, в результате Б. Взрыва:

ü Образовались время и пространство ;

ü Материя была плазмоподобной ;

ü Температура к концу периода снизилась до 1 млрд. ºС , плотность вещества стала равной плотности Pt (22 т/м 3 ).

Продолжительность всего периода (взрыв + расширение) – 3 мин.!

©2015-2019 сайт
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2016-08-20

План­конспект урока астрономии
по теме:
«Конечность и бесконечность Вселенной ­ парадоксы космической космологии»
Предмет
Астрономия
Класс
10­11
Общая часть
Тема урока
Конечность и бесконечность Вселенной ­ парадоксы космической космологии
Цель и задачи урока
Цель как формулировка конечного результата урока: получить представление об уникальном объекте -
Вселенной в целом, узнать как решается вопрос о конечности или бесконечности Вселенной, о строении и масштабах
Вселенной о понятии космической космологии, особенности наблюдений, изучить строение и эволюцию Вселенной как
целого, рассмотреть решение задач на нахождение разрешающей способности, увеличения и светосила телескопа, о
парадоксах, связанных с этим, о теоретических положениях общей теории относительности, лежащих в основе
построения космологических моделей Вселенной.
Задачи как пути реализации цели урока:
­Обучающая: ввести понятия астрономии, как науке и основных разделах астрономии, объектах познания
астрономии: космических объектах, процессах и явлениях; методах астрономических исследований и их особенностях;
повторить, как формулируется закон всемирного тяготения, вспомнить, из каких объектов состоит Вселенная;
объяснить, как наукой доказывается связь закона всемирного тяготения с представлениями о конечности и
бесконечности Вселенной; изучить противоречия фотометрического парадокса; объяснить необходимость привлечения
общей теории относительности для построения модели Вселенной.
­Воспитывающая: историческая роль астрономии в формировании представления человека об окружающем мире и
развитии других наук, формирование научного мировоззрения учащихся в ходе знакомства с некоторыми философскими и
общенаучными идеями и понятиями (материальности, единства и познаваемости мира, пространственно­временными
масштабами и свойствами Вселенной, универсальностью действия физических законов во Вселенной), ­ с помощью закона
Хаббла вычислить с учащимися радиус метагалактики и выяснить расширяется или сжимается Вселенная;
Патриотическое воспитание при ознакомлении с ролью российской науки и техники в развитии астрономии и
космонавтики. Политехническое образование и трудовое воспитание при изложении сведений о практическом
применении астрономии и космонавтики.
­Развивающая: развитие познавательных интересов к предмету, наблюдательности, логического мышления путём
систематизации фактов, формирование мировоззрения, умений делать выводы, применять полученные знания для
объяснения явлений. Показать, что мысль человеческая всегда стремится к познанию неизвестного. Формирование умений

анализировать информацию, составлять классификационные схемы.
Оборудование к уроку, а также необходимые дополнительные материалы: презентация, иллюстрации,
таблицы и т.п.:
­компьютер с проектором, интерактивная доска, дополнительные материалы: презентация, сопровождающая по
материалу темы урока, видеофрагменты к уроку;
­комплект учебников по астрономии, дополнительная литература;
­таблицы: Метагалактика (наша Вселенная), Эволюция Вселенной;
­ воздушный шарик для иллюстрации расширения Вселенной;
­раздаточный материал для учащихся: проверочный тест по теме.
 Структура урока (план, отражающий этапы урока):
­Организационный этап;
­Мотивационный этап: начало параграфа (постановка проблемы);
­Этап изучения нового материала: материал, изложенный в учебнике + дополнительный материал и просмотр
учебно­познавательного видеофильма;
­Закрепление изученного материала;
­Рефлексия;
­Домашнее задание.
 Раскрытие содержания этапов урока:
Подготовка к уроку учащихся.
Отметить отсутствующих.
Ход урока.
Организационный этап
Астрономия – счастливая наука: она, по выражению французского ученого Араго, не нуждается в украшениях.
Достижения её настолько захватывающи, что не приходится прилагать особых забот для привлечения к ним внимания.
Однако наука о небе состоит не только из удивительных откровений и смелых теорий. В этой науке, как и в любой другой,
есть свои противоречия. С ними мы сегодня и познакомимся. Вспомним, как формулируется закон всемирного тяготения?
Из каких объектов состоит Вселенная? (Ответы учащихся).
Учащимся предлагается прочитайть стихотворение Самуила Маршака и проанализировать его строки.
Актуализация знаний

Только ночью видишь ты вселенную...
Только ночью видишь ты вселенную.
Тишина и темнота нужна,
Чтоб на эту встречу сокровенную,
Не закрыв лица, пришла она.
Вопросы для анализа стихотворения:
о чём размышлял человек, написавший эти строки? (почему только ночью можно увидеть Вселенную? Как может
Вселенная «закрыть свое лицо»?)
назовите способы для лучшего рассмотрения лика Вселенной
что возникает перед твоими глазами, когда ты читаешь эти строки?
слышится ли тебе музыка, когда ты читаешь эти строки? Какая музыка?
в какой ситуации ты мог захотеть прочитать эти строки?

Мотивационный этап.
Постановка проблемы (стр. 126, п.34)
«Астрономия изучает не только отдельные небесные тела и их группы: звёзды, планеты, скопления звёзд,
галактики и их скопления, объектом её изучения является Вселенная как единое целое. При изучении небесных тел мы
можем сравнивать их между собой, проследить их эволюцию. При изучении Вселенной мы этого делать не можем, так как
Вселенная уникальна, мы не можем посмотреть на неё со стороны и сравнить с другой Вселенной».
Изучение нового материала.
Ребята, сегодня мы работаем с параграфом №34 нашего учебника.
Какая тема сегодняшнего урока? (Конечность и бесконечность Вселенной – парадоксы классической космологии).
Какие задачи перед нами сегодня стоят? (Узнать, как связан закон Всемирного тяготения с представлениями о
конечности и бесконечности Вселенной, какие противоречия раскрывает фотометрический парадокс, почему необходимо
привлечение общей теории относительности для построения модели Вселенной?)
Внимательно читаем параграф, после его прочтения мы с вами заполним таблицы:
(время на чтение 15 минут, в это время вывод на интерактивную доску заготовок таблиц для заполнения).
Составьте свою Вселенную, используя свои представления и предложенные свойства
Свойства Вселенной
Аргументы
Конечна
Бесконечна
№
п/п
1.

2.
3.
Ограничена
Статична
Безгранична
Нестационарная
Определите основные свойства Вселенной
Конечна (ограничена сферой неподвижных звезд)
Бесконечна
Вселенная
Н.Коперник
Т.Браге
Согласно закону всемирного тяготения
И.Ньютон
А.Энштейн
Все вещество Вселенной за ограниченный промежуток времени
должно стянуться в единую тесную систему.
Вещество Вселенной под действие тяготения собирается
в некоторых ограниченных объемах – «островах»,
равномерно заполняющих Вселенную.
Этап изучения нового материала:
Просмотр фрагмента фильма 100 величайших открытий: Астрономия (5­я серия) об общей теории относительности и
расширении Вселенной. Рассказ­объяснение учителя с использованием мультимедийной презентации (за основу материал,
изложенный в учебнике, параграф 34). Просмотр видео https://www.youtube.com/watch?v=k5vbxdb­TpQ, чтение статьи из
Интернета: (используется мобильный компьютерный класс)
https://hi­news.ru/science/konechna­ili­beskonechna­
vselennaya.html
Таблицы для заполнения, после изучения параграфа (учащиеся озвучивают (написано курсивом), учитель заполняет
на компьютере):
Новое понятие
Космология
Фотометрический
парадокс
Определение, раскрытие понятия.
Раздел астрономии, изучающий строение и развитие (эволюцию) Вселенной в целом. (От греч.
космос – мир, Вселенная и логос – учение). Объясняет распределение галактик и их движение
(разбегание).
Противоречие между предположениями о конечности и бесконечности Вселенной.
Формулируется в виде вопрос: почему ночью небо темное? Если Вселенная бесконечна, значит
в ней бесконечное число звёзд, а если звёзды похожи на Солнце, то любой участок неба должен
быть таким же ярким, как Солнце, но этого нет. Если Вселенная конечна, то в ней было бы
конечное число звёзд и небо не было бы столь ярким. Но предположение о конечности
Вселенной противоречит равномерному распределению звёзд. Согласно теории тяготения
Ньютона, все звёзды в ограниченной Вселенной рано или поздно собрались бы в одном месте, но
этого не происходит.

Выступают учащиеся с небольшими сообщениями «Космология» и Фотометрический парадокс».
Учитель (презентация для наглядности). В зависимости от средней плотности вещества Вселенная должна либо
расширяться, либо сжиматься. При расширении Вселенной скорость разбегания галактик должна быть пропорциональна
расстоянию до них – вывод, подтвержденный Э.Хабблом открытием красного смещения в спектрах галактик. Характер
движения и геометрия Вселенной определяется критическим значением плотности вещества: ρкр= , где G­гравитационная
постоянная, Н=75 км/с*Мпк – постоянная Хаббла.
В небольших масштабах Вселенной применима теория тяготения Ньютона. Рассмотрим далекую галактику на
расстоянии R от нас (слайд). На ее движение оказывает притяжение только вещество внутри сферы этого радиуса. Масса
π 3. Галактика движется по закону Хаббла со
вещества внутри сферы радиусом R и плотностью
скоростью =Н*R. Если эта скорость меньше второй космической, то удаление галактики сменится приближением, т.е.
расширение Вселенной сменится сжатием. Если больше или равна – расширение Вселенной носит неограниченный
характер.
, равна М= *(4/3)R
υ
ρ
ρ
Согласно закону всемирного тяготения: Всё вещество Вселенной за ограниченный промежуток времени должно
стянуться в единую тесную систему. Вещество Вселенной под действие тяготения собирается в некоторых
ограниченных объемах – «островах», равномерно заполняющих Вселенную.
Закрепление изученного материала::
Теперь ребята, давайте посмотрим на наши таблицы и на задачи к уроку и ответим, все ли задачи выполнены? (Нет,
не все. Осталось ответить на вопрос – почему необходимо привлечение общей теории относительности для построения
модели Вселенной?). Что такое фотометрический парадокс? Что представляет собой общая теория относительности и
какое значение она имеет для астрономии?
Ответ: Общая теория относительности А.Энштейна обобщает теорию тяготения Ньютона для массивных тел и
скоростей движения вещества, сравнимых со скоростью света, накладывает определенные ограничения на геометрические
свойства пространства, которое уже нельзя считать евклидовым. Согласно теории А.Энштейна время не имеет абсолютного
характера, а движение и распределение материи в пространстве нельзя рассматривать в отрыве от геометрических свойств
пространства и времени. Данные знания будут нам нужны на следующем уроке для построения космологической модели
Вселенной.
Рефлексия:
Можно предложить учащимся оценить свою деятельность на уроке по пятиступенчатой шкале (шкала выводится на
экран):
1) Я ничего не достиг на уроке;
2) Я понял не всё, мне нужно подумать, изучить материал самостоятельно;
3) Я в целом понял всё, но у меня были затруднения;

4) Я всё понял, но не всё успел записать;
5) Я всё понял, всё успел сделать.
Ответ пишется на маленьких листочках и сдаётся учителю.
Домашнее задание
§ 34, решить задачу № 33, стр 131 учебника, привести ещё 2­3 примера парадоксов классической космологии, кроме
фотометрического парадокса, используя другие источники.

Дополнительный материал

:
Решение задач:
1. Первые грубые оценки постоянной Хаббла привели к ошибочному значению Н = 530 км/(с×Мпк). Как давно должно
было начаться расширение Вселенной при таком значении?
2. Действительно ли постоянная Хаббла постоянна во времени? Считая, что скорости галактик друг относительно
друга не меняются, найдите, чему будет равно Н через 6 млрд. лет. Современное значение Н принять равным 75 км/(с×Мпк).
3. Задача № 32, стр. 130 учебника.
4. Усреднённая плотность вещества во Вселенной
= 3×10­28 кг/м3. Рассчитайте критическое значение плотности
вещества и сравните его с усреднённой плотностью вещества во Вселенной. Проанализируйте полученный результат и
сделайте вывод о том, расширяется или сжимается Вселенная.
Вопросы:
1. Определить такие понятия темы, как космология, Вселенная, Метагалактика;
2. Определить содержание космологического принципа, фотометрического парадокса, гравитационного парадокса;
3. Установить связь закона всемирного тяготения с представлениями о конечности и бесконечности Вселенной;
4. Описать космологическую модель «горячей Вселенной».
5. Как классифицируются Галактики?
6. Сформулируйте Закон Хаббла. Чему равна постоянная Хаббла?
7. Сформулируйте закон Всемирного тяготения. Чему равна гравитационная постоянная?
8. В каких единицах измеряются расстояния до далеких объектов Вселенной. Какова связь пк, км и св.г.?
Эффе́кт До́плера - изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их
источника и/или движением приёмника.

Эффект Доплера для звуковых волн
Эффект Доплера для световых волн
пример
Результаты
наблюдения

Движение машины с включенной сиреной
Когда машина не
движется относительно
наблюдателя, тогда он слышит именно тот тон, к
оторый издаёт сирена. Но если машина будет
приближаться к наблюдателю, то частота звуков
ых волн увеличится, и наблюдатель услышит
более высокий тон, чем на самом деле издаёт си
рена. А когда машина проедет дальше и будет
уже отдаляться, а не приближаться, то наблюдат
ель услышит более низкий тон
(или красное смещение)
Движение далеких Галактик
Красное смещение для галактик было обнаружено
американским астрономом В. Слайфером в 1912-
1914; в 1929 Э. Хаббл открыл, что Красное смещение
для далёких галактик больше, чем для близких, и
возрастает приблизительно пропорционально
расстоянию (закон К. с., или закон Хаббла). В
результате красного смещения происходит
уменьшении энергии приходящих фотонов.
Вопросы для обсуждения:
1. Можно ли «слышать» и «видеть» эффект Доплера? Приведите примеры.
2. Почему линии в спектрах далеких галактик смещены в красную сторону?
3. Почему красное смещение, определенное по большому числу галактик, растет ступенчато с расстоянием?
4. Почему несколько ближайших галактик имеет фиолетовое смещение?
Ответы:
1. Акустический эффект Доплера можно слышать, как изменение тона звука свистка проносящегося мимо платформы
поезда. «Видеть» эффект можно, хотя бы в ванне или пруду. Периодически погружая палец в воду, чтобы на поверхности
образовались волны, равномерно перемещайте его в одном направлении. Следуя друг за другом, гребни волн в направлении
движения пальца будут сгущаться, т. е. длина волны станет меньше обычной, в направлении назад - больше.
2. Это явление получило название «метагалактическое красное смещение». Оно интерпретируется согласно принципу
Доплера как увеличение средних расстояний между галактиками. Причиной этого является, по современным воззрениям,
огромный взрыв, происшедший 10-20 млрд лет назад и приведший к разбеганию галактик.
3. Этот наблюдательный факт доказывает ячеистую структуру Метагалактики.
4. Пекулярные скорости этих галактик больше скоростей разбегания галактик.
Сформулируйте ответ на вопрос после рассмотрения содержания фотометрического и гравитационного парадоксов
(работа производится в группах; каждая группа изучает один из парадоксов, в дальнейшем один из представителей
группы пересказывает его суть, решение, а так же отвечает на поставленные вопросы).
Фотометрический парадокс (подробно изложен немецким ученым Генрихом Ольбресом в 1826 году): в бесконечной

Вселенной, заполненной звездами в хаотичном порядке, наблюдатель с Земли должен постоянно натыкаться взглядом на
поверхность звезды (яркость объекта не зависит от расстояния до него). В действительности этого нет.
Для объяснения парадокса Ольберс предположил, что в межзвездном пространстве имеется рассеянное вещество,
которое поглощает свет далеких звезд.
Вопросы для обсуждения:
1.Поясните невозможность объяснения фотометрического парадокса
наличием во Вселенной темной поглощающей материи.
2.Можно ли объяснить парадокс на основе существования красного смещения?
Если да, то как?
3.Поясните истинность высказывания советского космолога А.Л.
Зельманова, утверждавшего, что сжатие Вселенной будет происходить без
свидетелей.
Ответы:
1.
Хотя спустя столетие межзвездное поглощение света действительно
было обнаружено, оно не смогло разрешить фотометрический парадокс, т.к. сами
пылинки в безграничной и вечной Вселенной, однородно заполненной звездами,
нагрелись бы до температуры звездной поверхности и светились бы как звезды.
Фотометрический парадокс существует только в однородной и
расширяющейся Вселенной,
изотропной статической Вселенной. В теории
разработанной Александром Фридманом и Эдвином Хабблом, фотометрического
парадокса не возникает из­за существования красного смещения. В результате красного смещения происходит уменьшении
энергии приходящих фотонов.
2.
3. В результате фиолетового смещения происходит увеличении энергии приходящих фотонов и как следствие
тепловая смерть человечества.
Гравитационный парадокс (сформулирован в 1895г немецким астрономом Х. Зеелигером): пользуясь законом
Ньютона, в бесконечной Вселенной, равномерно заполненной веществом, нельзя однозначно рассчитать силу гравитации в
заданной точке. Если ее вычислять, суммируя силы, действующие на точку с массой m, которые создаются
концентрическими слоями с центром в этой же точке, то получится нуль. Если осуществлять расчет для концентрических
слоев с центром в другой точке, удаленной на расстояние г от данной, то сила тяготения окажется равной силе, с которой
шар радиусом г притягивает точку, расположенную на его поверхности.
Вопросы для обсуждения:
1. Какое противоречие рассматривает гравитационный парадокс?
2. Если гравитационный парадокс имеет место, то справедлив ли закон всемирного тяготения? Ответ поясните.
3. Выскажите свое мнение к возможным двум решениям парадокса.
Некоторые предложения по решению проблемы:

Конечная масса вещества. Проще всего предположить, что во Вселенной существует лишь конечное количество веще­
ства. Эту гипотезу рассматривал ещё Исаак Ньютон в письме Ричарду Бентли. Анализ показал, что подобный «звёздный ост­
ров» со временем, под действием взаимовлияния звёзд, либо соединится в одно тело, либо рассеется в бесконечной пустоте.
Современная трактовка. Ньютоновская теория тяготения, как выяснилось в начале XX века, неприменима для расчё­
та сильных полей тяготения. В общей теории относительности гравитационный парадокс отсутствует, поскольку сила тяго­
тения в ОТО есть локальное следствие неевклидовой геометрии, поэтому сила всегда однозначно определена и конечна.
Основы этой теории были заложены в 1916 г А. Эйнштейном (для частного случая статической Вселенной). В общем, виде
космологические решения были найдены А.А. Фридманом 1922 г, который показал, что однородная изотропная Вселенная
должна быть нестационарной.
Свойства нестационарной Вселенной (Метагалактики) заполнив пропуски в предложении (подготовленный текст
выдается каждому ученику, работая с текстом учебника, ученик заполняет пропуски):
 В основе модели нестационарной Вселенной лежит обнаружение красного смещения для далеких галактик.
 Расширение метагалактики: скорость удаления далеких объектов определяется законом Хаббла:
, где Н=72
rH 
. Использование закона Хаббла позволяет определить расстояние до далеких объектов и возраст Метагалактики:
км

Мпс
с
,
t M
r


H

13
910
1
H
. Теория расширяющейся метагалактики дает законы изменения температуры и плотности:
лет
T

10

102,1
t

K
,

5105,4

2
t
г
3
см
, t – время, выраженное в секундах.
 Химический состав Метагалактики: водород ­ около 75%, гелия – около 25%.
 Выполнение антропогенного принципа, согласно которому эволюция Метагалактики идет в направлении,
обуславливающем возникновение разумных существ.
ρ
плотности вещества (
Эта зависимость определяется значением критической плотности
 Дальнейшее поведение Метагалактики определяется ее средней плотностью: в зависимости от значения средней
) расширение может происходить неограниченно во времени или же со временем сменится сжатием.
. Поведения Метагалактики в будущем

3 2
H
кр 
G
8

неопределенно из­за наличия тёмной материи, существование которой сложно обнаружить по ее излучению и
включающей до 95 % от всего вещества, – черные дыры, маломассивные звезды малой светимости, нейтрино и т.д.

4.Может ли быть бесконечное расширение Вселенной?
5.Каких химических элементов больше всего во Вселенной и когда они образовались?

Ответы:

«Модель «горячей Вселенной»: в прошлом излучение и вещество эффективно взаимодействовали между собой, между
ними существовало термодинамическое взаимодействие. Температура вещества и излучения была одинаковой и высокой –
Вселенная была «горячей».
Вопросы для фронтального обсуждения:
1.Почему разбегаются галактики, хотя в то время, когда произошел Большой взрыв, их еще не существовало?
2.Почему Вселенная нестационарна?
3.Влияет ли космологическое расширение Метагалактики на расстояние между Землей и: а) Луной; б) центром
Галактики; в) галактикой М31 в созвездии Андромеды; г) центром местного сверхскопления галактик?
1. Галактики образовались из разлетающегося вещества и сохранили его импульс.
2. Основная сила в космосе - это гравитация, которая стремится собрать все вещество. Равновесие при действии
только сил тяготения невозможно. В зависимости от величины начальной скорости вещество может неограниченно
расширяться или расширяться с замедлением
3. В космологическом расширении не участвуют гравитационно­связанные системы (Солнечная система, галактика,
скопления галактик). Поэтому в этих случаях космологическое расширение не влияет на расстояния между Землей и
указанными объектами.
4. Если средняя плотность вещества Вселенной будет меньше критической плотности ркр= 3  10­27 кг/м3, то Вселенная
будет бесконечно расширяться. Современные оценки средней плотности видимого вещества дают значение р = 3 ­10­28
кг/м3. Учет скрытой массы может увеличить эту величину. Таким образом, вопрос о будущем Вселенной еще не решен.
5. По массе во Вселенной больше всего водорода (77,4%) и гелия (20,8%). Водород и гелий образовались через 5 минут
после начала Большого взрыва.
Примерное содержание таблицы «Этапы эволюции Вселенной»
Эры
Время от
«начала», с
Этапы эволюции
Температура, К Плотность, г/см3
Планковская
Рождение реликтовых гравитонов
?
?

Андронная
до 10
5
Граница применимости релятивистской теории
тяготения
Возникновение зарядовой ассиметрии
Аннигиляция нуклонов и антинуклонов
Лептонная
10
4
Граница применимости экспериментально проверенных
законов физики
Аннигиляция мезонов
Образование реликтового нейтрино
Излучения
Вещества
10

3
10
10
2
10
10
6
9
10
10
Аннигиляция электронов и позитронов
Образование первичного гелия
Отрыв реликтового излучения
Начало возникновения звезд и галактик
Современная эпоха
10
10
32
28
3*10
12
10
12
3*10
2*10
11
10
10
10
10
9
4*10
3
30
2,7
10
10
10
10
94
78
16
14
10
12
10
10
10
7
4
2
10
21
10
27
10
30

Главная » Для начинающих » Модель расширяющейся вселенной. Космологические парадоксы – суть и исследование