Каковы космологические модели Вселенной? Космологические модели вселенной Общепринятая модель вселенной.

Ни один физик не оспаривает сегодня специальную теорию относительности, и лишь немногие оспаривают основные положения общей теории относительности. Правда, общая теория относительности оставляет многие важные проблемы нерешенными. Несомненно и то, что наблюдения и эксперименты, поддерживающие эту теорию, малочисленны и не всегда убедительны. Но даже если бы не было вообще никаких подтверждений, общая теория относительности все же была бы необычайно привлекательна из-за больших упрощений, вводимых ею в физику.

Упрощений? Может показаться странным использование этого слова по отношению к теории, где применяется настолько развитая математика, что кто-то однажды сказал, будто во всем мире не более двенадцати человек могут понять ее (между прочим, это число было явно преуменьшено даже в то время, когда такое мнение было общепризнанным).

Математический аппарат теории относительности действительно сложен, но эта сложность компенсируется необыкновенным упрощением общей картины. Например, сведения тяготения и инерции к одному и тому же явлению достаточно, чтобы сделать общую теорию относительности наиболее плодотворным направлением при формировании взгляда на мир.

Эйнштейн высказал эту мысль в 1921 г., когда читал лекцию об относительности в Принстонском университете: «Возможность объяснить численное равенство инерции и гравитации единством их природы дает общей теории относительности, по моему убеждению, такие преимущества перед концепциями классической механики, что в сравнении с этим все трудности, встречающиеся здесь, следует считать небольшими… »

К тому же теории относительности присуще то, что математики любят называть «изяществом». Это своего рода артистическое произведение. «Каждый любитель прекрасного, - заявил однажды Лоренц, - должен желать, чтобы она оказалась правильной».

В этой главе твердо установленные аспекты теории относительности будут оставлены в стороне, и читатель окунется в область ожесточенных споров, область, где точки зрения являются не более чем предположениями, которые должны быть приняты или отвергнуты на основе научных доказательств.

Что представляет собой Вселенная в целом? Мы знаем, что Земля - это третья от Солнца планета в системе из девяти планет и что Солнце является одной из примерно ста миллиардов звезд, составляющих нашу Галактику. Мы знаем, что в той области пространства, которую можно прозондировать самыми мощными телескопами, разбросаны другие галактики, число которых также должно исчисляться миллиардами. Продолжается ли это до бесконечности?

Бесконечно ли число галактик? Или же пространство все-таки имеет конечные размеры? (Может быть, нам следует говорить «наше пространство», поскольку если наше пространство ограниченно, то кто может сказать, что не существует других ограниченных пространств?)

Астрономы прилагают все усилия, чтобы ответить на эти вопросы. Они конструируют так называемые модели Вселенной - воображаемые картины мира, если его рассматривать как единое целое. В начале девятнадцатого века многие астрономы предполагали, что Вселенная безгранична и содержит бесконечное число солнц. Пространство считалось евклидовым. Прямые ливни уходили в бесконечность во всех направлениях. Если бы космический корабль отправился в путь в любом направлении и двигался по прямой линии, то его путешествие длилось бы бесконечно долго, причем он никогда не достиг бы границы. Эта точка зрения восходит к древним грекам. Они любили говорить, что, если воин будет бросать свое копье все дальше и дальше, в пространство, он никогда не сможет достичь конца; если же такой конец вообразить себе, то воин смог бы стать там и метнуть копье еще дальше!

Против этой точки зрения имеется одно важное возражение. Немецкий астроном Генрих Олберс отметил в 1826 г., что если число солнц бесконечно и эти солнца распределены в пространстве случайным образом, то прямая линия, проведенная от Земли в любом направлении, должна была бы в конечном счете пройти сквозь какую-либо звезду. Это означало бы, что все ночное небо должно было представлять собой одну сплошную поверхность, испускающую слепящий звездный свет. Мы знаем, что это не так. Следует придумать какое-то объяснение темноте ночного неба, чтобы объяснить то, что теперь называют парадоксом Олберса. Большинство астрономов конца девятнадцатого и начала двадцатого века считали, что число солнц ограниченно. Наша галактика, утверждали они, содержит все имеющиеся солнца. Что же вне галактики? Ничего! (И только в середине двадцатых годов этого столетия появились неопровержимые доказательства, что существуют миллионы галактик на громадных расстояниях от нашей.) Другие астрономы допускали, что свет от далеких звезд может поглощаться скоплениями межзвездной пыли.

Наиболее остроумное объяснение дал шведский математик В. К. Шарлье. Галактики, говорил он, группируются в ассоциации, ассоциации - в сверхассоциации, сверхассоциации - в сверх-сверхассоциации и так далее до бесконечности. На каждой ступени объединения расстояния между группировками растут быстрее, чем размеры групп. Если это правильно, то тогда чем дальше продолжать прямую линию от нашей галактики, тем меньше вероятность того, что она встретит другую галактику. Вместе с тем эта иерархия ассоциаций бесконечна, так что по-прежнему можно говорить, что Вселенная содержит бесконечное число звезд. В объяснении, данном Шарлье парадоксу Олберса, нет ничего ошибочного, за исключением того, что имеется следующее более простое объяснение.

Первая модель Вселенной, основанная на теории относительности, была предложена самим Эйнштейном в статье, опубликованной в 1917 г. Это была изящная и красивая модель, хотя позже Эйнштейн вынужден был отказаться от нее. Выше уже объяснялось, что гравитационные поля - это искривления структуры пространства - времени, производимые присутствием больших масс материи. Внутри каждой галактики, следовательно, имеется много подобных скручиваний и изгибов пространства - времени. А как же огромные области пустого пространства между галактиками? Одна точка зрения такона: чем больше расстояние от галактик, тем более плоским (более евклидовым) становится пространство. Если бы Вселенная была свободна от всякой материи, то пространство было бы совершенно плоским; некоторые, однако, считают, что в этом случае вообще было бы бессмысленным говорить, что оно имеет какую-то структуру. И в том и в другом случае Вселенная пространства - времени простирается неограниченно во всех направлениях.

Эйнштейн сделал одно заманчивое контрпредложение. Предположим, сказал он, что количество материи во Вселенной достаточно велико, чтобы обеспечить общую положительную кривизну. Пространство тогда замкнулось бы само на себя во всех направлениях. Этого нельзя понять полностью, не углубляясь в четырехмерную неевклидову геометрию, но смысл можно схватить достаточно легко с помощью двухмерной модели. Представим себе плоскую страну Плосковию, где живут двухмерные существа. Они считают свою страну евклидовой плоскостью, которая простирается безгранично во всех направлениях. Правда, солнца Плосковии являются причиной появления на этой плоскости различных выпуклостей, но это локальные выпуклости, которые не влияют на общую гладкость. Существует, однако, другая возможность, которую могут себе представить астрономы этой страны. Может быть, каждая локальная выпуклость производит небольшое искривление всей плоскости таким образом, что суммарное действие всех солнц будет приводить к деформированию этой плоскости в нечто похожее на поверхность бугристой сферы. Подобная поверхность была бы тем не менее безграничной в том смысле, что вы могли бы двигаться в любом направлении вечно и никогда не достичь границы. Воин Плосковии не смог бы найти такое место, дальше которого ему некуда было бы метнуть свое плоское копье. Однако поверхность страны была бы конечной. Путешественник, совершающий поездку по «прямой линии» достаточно долго, в конце концов прибыл бы обратно туда же, откуда начал свой путь.

Математики говорят, что подобная поверхность «замкнута». Она, конечно, не безгранична. Подобно бесконечному евклидовому пространству, центр ее везде, периферии не существует. Эту «замкнутость», топологическое свойство такой поверхности, обитатели этой страны могут легко проверить. Один критерий уже упоминался: движение вокруг сферы во всех направлениях. Другой способ проверки состоял бы в окраске этой поверхности. Если бы житель этой страны, начав с какого-то места, стал рисовать все большие и большие окружности, он в конце концов заключил бы себя внутрь пятна на противоположной стороне сферы. Однако, если эта сфера велика и жители занимают небольшую часть ее, у них не будет возможности произвести подобные топологические испытания.

Эйнштейн предположил, что наше пространство является трехмерной «поверхностью» огромной гиперсферы (четырехмерной сферы). Время в его модели остается неискривленным; это прямая координата, уходящая назад в бесконечно далекое прошлое и простирающаяся бесконечно далеко вперед в будущее. Если эту модель представлять себе как четырехмерную пространственно-временную структуру, она больше напоминает гиперцилиндр, чем гиперсферу. По этой причине такую модель обычно называют моделью «цилиндрической Вселенной». В любой момент времени мы видим пространство как своего рода трехмерное поперечное сечение гиперцилиндра. Каждое поперечное сечение представляет собой поверхность гиперсферы.

Наша Галактика занимает только незначительную часть этой поверхности, так что пока еще нет возможности выполнить топологический эксперимент, который доказал бы ее замкнутость. Но принципиальная возможность доказать замкнутость существует. Установив достаточно мощный телескоп в каком-то направлении, можно сфокусировать его на определенной галактике, а затем, повернув телескоп в противоположную сторону, увидеть обратную сторону той же самой галактики. Если бы существовали космические корабли со скоростью, близкой к скорости света, то они могли бы описать круг по Вселенной, двигаясь в любом направлении по наиболее прямой линии, которая только возможна.

Вселенную нельзя «окрасить» в буквальном смысле этого слова, но можно сделать по существу то же самое, составляя сферические карты Вселенной все больших и больших размеров. Если картограф будет делать это достаточно долго, то он сможет обнаружить, что он оказался внутри той сферы, карту которой он составляет. Эта сфера будет становиться все меньше и меньше по мере того, как он продолжает свое занятие, подобно тому кругу, который уменьшается, когда житель Плосковии заключает себя внутрь пятна.

В некоторых отношениях неевклидова модель Эйнштейна проще классической модели, в которой пространство не искривлено. Она проще в том же самом смысле, в котором можно сказать, что круг проще прямой линии. Прямая линия простирается в бесконечность в обе стороны, а бесконечность в математике- очень сложная вещь! Удобство окружности в том, что она ограничена. Она не имеет концов, никому не приходится беспокоиться о том, что произойдет с этой линией в бесконечности. В аккуратной эйнштейновской Вселенной никому не приходится заботиться обо всех свободных концах в бесконечности, о том, что в космологии любят называть «граничными условиями». В уютной Вселенной Эйнштейна граничных проблем не существует, потому что она не имеет границ.

Другие космологические модели, полностью согласующиеся с общей теорией относительности, обсуждались в двадцатых годах. Некоторые из них имеют свойства даже более необычные, чем цилиндрическая Вселенная Эйнштейна. Голландский астроном Биллем де Ситтер разработал модель замкнутой, ограниченной Вселенной, в которой время искривляется так же, как и пространство. Чем дальше смотришь сквозь пространство де Ситтера, тем более медленно идущими кажутся часы. Если посмотреть достаточно далеко, можно увидеть области, где время совершенно остановилось, «как на чаепитии у сумасшедшего Шляпочкина, - пишет Эддингтон, - где всегда шесть часов вечера».

«Не нужно думать при этом, что существует какая-то граница», - объясняет Бертран Рассел в «Азбуке теории относительности». «Люди, живущие в стране, которую наш наблюдатель считает страной лотофагов, живут точно в такой же суете, как и сам наблюдатель, и им кажется, что он сам застыл в вечной неподвижности. На самом деле вы никогда бы не узнали об этой стране лотофагов, поскольку понадобилось бы бесконечно большое время, чтобы свет дошел от нее к вам. Вы смогли бы узнать о местах, расположенных недалеко от нее, но она сама оставалась бы всегда за горизонтом». Конечно, если бы вы направились к этой области на космическом корабле, держа ее с помощью телескопа под постоянным наблюдением, вы увидели бы, что по мере вашего приближения к ней ход времени там медленно ускоряется. Когда вы туда прибудете, все будет двигаться с обычной скоростью. Земля лотофагов будет теперь находиться на краю нового горизонта.

Обращали ли вы внимание на то, что, когда самолет, пролетая низко над вами, резко взмывает вверх, высота звука от его моторов сразу немного понижается? Это называется эффектом Допплера по имени австрийского физика Христиана Иоганна Допплера, открывшего этот эффект в середине девятнадцатого века. Он легко объясним. Когда самолет приближается, то звуковые волны от его двигателей колеблют вашу барабанную перепонку более часто, чем это было бы при неподвижном самолете. Это увеличивает высоту звука. Когда самолет удаляется, ощущаемые вашими ушами толчки от звуковых колебаний менее часты. Звук становится ниже.

Абсолютно то же самое происходит в том случае, когда источник света быстро движется к вам или от вас При этом неизменной должна оставаться скорость света (которая всегда постоянна), но не его длина волны. Если вы и источник света движетесь навстречу друг другу, то эффект Допплера укорачивает длину световой волны света, сдвигая цвет в сторону фиолетового конца спектра. Если вы и источник света удаляетесь один от другого, то эффект Допплера дает подобное же смещение к красному концу спектра.

Георгий Гамов на одной из своих лекций рассказал историю (несомненно, анекдотическую) с эффектом Допплера, которая слишком хороша, чтобы не привести ее здесь. Это случилось, кажется, с известным американским физиком из университета Джона Гопкинса Робертом Вудом, который был задержан в Балтиморе за езду на красный свет. Представ перед судьей, Вуд на основе эффекта Допплера блестяще объяснил, что из-за большой скорости его движения произошел сдвиг красного света к фиолетовому концу спектра, из-за чего он воспринял его как зеленый. Судья был склонен оправдать Вуда, но на суде случайно оказался один из студентов Вуда, которого Вуд незадолго до этого провалил. Он быстро вычислил скорость, которая требуется, чтобы огонь светофора из красного стал зеленым. Судья отказался от первоначального обвинения и оштрафовал Вуда за превышение скорости.

Допплер думал, что открытый им эффект объясняет видимый цвет далеких звезд: красноватые звезды должны двигаться от Земли, голубоватые звезды - к Земле. Как оказалось, дело было не в этом (эти цвета объяснялись другими причинами); в двадцатых годах нашего века было открыто, что свет от удаленных галактик обнаруживает явное смещение в красную сторону, которое нельзя объяснить достаточно убедительно иначе, как допуская, что эти галактики движутся от Земли. Более того, это смещение возрастает в среднем пропорционально расстоянию от галактики до Земли. Если до галактики А в два раза дальше, чем до галактики Б, то красное смещение от А примерно в два раза больше красного смещения от Б. По утверждению английского астронома Фреда Хойла, красное смещение для ассоциации галактик в созвездии Гидры свидетельствует о том, что эта ассоциация удаляется от Земли с громадной скоростью, равной примерно 61 000 км/сек.

Делались различные попытки объяснить красное смещение не эффектом Допплера, а каким-либо иным способом. По теории «усталости света» чем дольше свет находится в пути, тем меньше частота его колебаний. (Это прекрасный пример гипотезы ad hoc , т. е. гипотезы, связанной только с этим частным явлением, поскольку других свидетельств в ее пользу нет.) Другое объяснение состоит в том, что прохождение света сквозь космическую пыль приводит к появлению смещения. В модели де Ситтера это смещение четко следует из искривления времени.

Но простейшее объяснение, которое наилучшим образом согласуется с другими известными фактами, состоит в том, что красное смещение действительно свидетельствует о реальном движении галактик. Исходя из этого предположения, вскоре была развита новая серия моделей «расширяющейся Вселенной».

Однако это расширение не означает, что расширяются сами галактики или что (как это теперь считают) увеличиваются расстояния между галактиками в ассоциациях галактик. По-видимому, это расширение влечет за собой увеличение расстояний между ассоциациями. Представьте себе гигантский ком теста, в который вкраплено несколько сот изюмин. Каждая изюмина представляет собой ассоциацию галактик. Если это тесто сажают в печь, оно расширяется равномерно по всем направлениям, но размеры изюмин остаются прежними. Увеличивается расстояние между изюминами. Ни одна из изюмин не может быть названа центром расширения. С точки зрения любой отдельной изюмины все остальные изюмины кажутся удаляющимися от нее.

Чем больше расстояние до изюмины, тем больше кажущаяся скорость ее удаления.

Модель Вселенной Эйнштейна статична. Это объясняется тем, что он развил эту модель до того, как астрономы обнаружили расширение Вселенной. Чтобы предотвратить стягивание своей Вселенной гравитационными силами и ее гибель, Эйнштейн вынужден был в своей модели предположить, что существует еще одна сила (он ввел ее в модель с помощью так называемой «космологической постоянной»), роль которой заключается в отталкивании и удержании звезд на некотором расстоянии друг от друга.

Выполненные позже вычисления показали, что модель Эйнштейна неустойчива, подобно монете, стоящей на ребре. Малейший толчок заставит ее упасть либо на лицевую, либо на обратную сторону, причем первое соответствует расширяющейся, второе - сжимающейся Вселенной. Открытие красного смещения показало, что Вселенная во всяком случае не сжимается; космологи обратились к моделям расширяющейся Вселенной.

Конструировались всевозможные модели расширяющейся Вселенной. Советский ученый Александр Фридман и бельгийский аббат Жорж Леметр разработали две наиболее известные модели. В некоторых из этих моделей пространство предполагается замкнутым (положительная кривизна), в других - незамкнутым (отрицательная кривизна), в третьих вопрос о замкнутости пространства остается открытым.

Одна из моделей была предложена Эддингтоном, который описал ее в увлекательной книге «Расширяющаяся Вселенная». Его модель по существу очень похожа на модель Эйнштейна, она замкнута, подобно огромному четырехмерному шару, и равномерно расширяется по всем своим трем пространственным измерениям. В настоящее время, однако, у астрономов нет уверенности в том, что пространство замкнуто на себя. По-видимому, плотность материи в пространстве недостаточна, чтобы привести к положительной кривизне. Астрономы отдают предпочтение незамкнутой или бесконечной Вселенной с общей отрицательной кривизной, напоминающей поверхность седла.

Читатель не должен думать, что если поверхность сферы имеет положительную кривизну, то изнутри эта поверхность будет иметь отрицательную кривизну. Кривизна сферической поверхности положительна независимо от того, с какой стороны на нее смотреть - снаружи или изнутри. Отрицательная кривизна поверхности седла вызвана тем, что в любой своей точке эта поверхность искривлена по-разному. Она вогнута, если вы проводите по ней рукой от задней части к передней, и выпукла, если вы ведете руку от одного края к другому. Одна кривизна выражается положительным числом, другпя - отрицательным. Чтобы получить кривизну этой поверхности в данной точке, эти два числа надо перемножить. Если во всех точках это число отрицательно, как должно быть, когда поверхность в любой точке искривляется по-разному, то говорят, что эта поверхность имеет отрицательную кривизну. Поверхность, окружающая дырку в торе (бублике), - другой известный пример поверхности отрицательной кривизны. Конечно, подобные поверхности являются лишь грубыми моделями трехмерного пространства отрицательной кривизны.

Возможно, с появлением более мощных телескопов удастся решить вопрос о том, какова кривизна Вселенной - положительна, отрицательна или равна нулю. Телескоп позволяет видеть галактики лишь в определенном сферическом объеме. Если галактики распределены случайным образом и если пространство евклидово (нулевой кривизны), число галактик внутри подобной сферы должно быть всегда пропорционально кубу радиуса этой сферы. Другими словами, если построить телескоп, которым можно заглянуть в два раза дальше, чем любым телескопом до этого, то число видимых галактик должно увеличиться с n до 8n . Если этот скачок окажется меньше, то это будет означать, что кривизна Вселенной положительна, если больше - отрицательна.

Можно подумать, что должно быть наоборот, но рассмотрим случай двухмерных поверхностей с положительной и отрицательной кривизной. Предположим, что из плоского листа резины вырезан круг.

На него наклеены изюмины на расстояниях в полсантиметра одна от другой. Для того чтобы придать этой резине форму сферической поверхности, ее необходимо сжать, и многие изюмины сблизятся. Иными словами, если на сферической поверхности изюмины должны оставаться на расстоянии в полсантиметра одна от другой, то потребуется меньше изюмин. Если же резину наложить на поверхность седла, то изюмины раздвинутся на большие расстояния, т. е. чтобы на поверхности седла сохранить расстояния между изюминами в полсантиметра, потребуется больше изюмин. Мораль, вытекающая из всего этого, в шутливой форме может быть выражена так: когда вы покупаете бутылку пива, обязательно скажите продавцу, что вы хотите бутылку, содержащую пространство, искривленное отрицательно, а не положительно?

В моделях расширяющейся Вселенной не требуется космологическая постоянная Эйнштейна, приводящая к гипотетическому расталкиванию звезд.

(Позже Эйнштейн считал концепцию космологической постоянной самой большой ошибкой, сделанной им когда либо.) С появлением этих моделей сразу же прояснился вопрос с парадоксом Олберса о яркости ночного неба. Статическая модель Эйнштейна мало помогла в этом отношении. Правда, она содержит только конечное количество солнц, но из-за замкнутости пространства в модели свет от этих солнц вынужден вечно обходить Вселенную, изгибая свою траекторию в соответствии с местными искривлениями пространства - времени. В результате ночное небо освещено так же ярко, как и в случае бесконечного количества солнц, если не предположить, что Вселенная настолько молода, что свет смог совершить лишь ограниченное число кольцевых витков.

Понятие расширяющейся Вселенной очень просто устраняет этот парадокс. Если далекие галактики удаляются от Земли со скоростями, пропорциональными расстояниям до них, то полное количество света, достигающего Землю, должно уменьшаться. Если какая-либо галактика находится достаточно далеко, ее скорость может превысить световую, тогда свет от нее вообще никогда не достигнет нас. Сейчас многие астрономы всерьез считают, что если бы Вселенная не была расширяющейся, то не было бы буквально никакой разницы между ночью и днем.

Тот факт, что скорость далеких галактик относительно Земли может превышать скорость света, является, казалось бы, нарушением того положения, что ни одно материальное тело не может двигаться быстрее света. Но, как мы видели в гл. 4, это положение имеет силу только в условиях, которые соответствуют требованиям специальной теории относительности. В общей теории относительности его следует перефразировать так: никакие сигналы не могут быть переданы быстрее света. Но все еще остается спорным такой важный вопрос: могут ли на самом деле далекие галактики преодолеть световой барьер и, став невидимыми, навсегда исчезнуть из поля зрения человека, даже если он будет располагать наиболее мощными телескопами, которые можно себе представить. Некоторые специалисты считают, что скорость света действительно является пределом и что самые далекие галактики просто будут делаться более тусклыми, не становясь никогда полностью невидимыми (при том условии, конечно, что человек будет располагать достаточно чувствительными приборами для их наблюдения).

Старые галактики, как кто-то однажды заметил, никогда не умирают. Они просто постепенно исчезают. Важно понять, однако, что ни одна галактика не исчезает в том смысле, что исчезает ее материя из Вселенной. Она просто достигает такой скорости, что становится невозможным или почти невозможным обнаружить ее в земные телескопы. Исчезающая галактика продолжает быть видимой со всех галактик, находящихся ближе к ней. Для каждой галактики существует такой «оптический горизонт», сферическая граница, за которую ее телескопы не могут проникнуть. Эти сферические горизонты для любых двух галактик не совпадают. Астрономы подсчитали, что точка, после которой галактики начнут исчезать из нашего «поля зрения», находится примерно в два раза дальше, чем область досягаемости любого современного оптического телескопа. Если это предположение правильно, то сейчас видима примерно одна восьмая часть всех галактик, которые когда-то можно будет наблюдать.

Если Вселенная расширяется (неважно, является ли пространство плоским, незамкнутым или замкнутым), то возникает такой каверзный вопрос. На что была похожа Вселенная раньше? Существуют два различных способа ответить на этот вопрос, две современные модели Вселенной. Обе модели рассмотрены в следующей главе.

Примечания:

Персонаж книги Льюиса Кзррола «Алиса в стране чудес». - Прим. перев .

Страна изобилия и праздности, см. «Одиссею». - Прим. перев .

8.2. Развитие представлений о Вселенной. Модели Вселенной

Исторически представления о Вселенной всегда развивались в рамках мысленных моделей Вселенной, начиная с Древних мифов. В мифологии практически любого народа значитель­ное место занимают мифы о Вселенной - ее происхождении, сущно­сти, структуре, взаимосвязях и возможных причинах конца .

В большинстве древних мифов мир (Вселенная) не вечен, он создан высшими силами из некой первоосновы (субстанции), обычно из воды или из хаоса. Время в древних космогонических представлениях чаще всего циклично, т.е. события рождения, су­ществования и гибели Вселенной следуют друг за другом по кругу, подобно всем объектам в природе. Вселенная представляет собой единое целое, все ее элементы связаны между собой, глубина этих связей различна вплоть до возможных взаимопревращений, со­бытия следуют друг за другом, сменяя друг друга (зима и лето, день и ночь). Этот мировой порядок противопоставляется хаосу. Про­странство мира ограниченно. Высшие силы (иногда боги) высту­пают или творцами Вселенной или хранителями мирового поряд­ка. Структура Вселенной в мифах предполагает многослойность: наряду с явленным (срединным) миром присутствуют верхний и нижний миры, ось Вселенной (часто в виде Мирового древа или горы), центр мира - место, наделенное особыми сакральными свойствами, существует связь между отдельными слоями мира. Существование мира мыслится регрессивно - от «золотого века» к упадку и гибели. Человек в древних мифах может быть аналогом всего Космоса (весь мир создан из гигантского существа, подоб­ного человеку-великану), что укрепляет связь человека и Вселен­ной. В древних моделях человек никогда не занимает центрально­го места.

В VI-V вв. до н.э. создаются первые натурфилософские моде­ли Вселенной, наиболее разработанные в Древней Греции . Предельным понятием в этих моделях выступает Космос как еди­ное целое, прекрасное и законосообразное. Вопрос, как образо­вался мир, дополняется вопросом, из чего устроен мир, как он из­меняется. Ответы формулируются уже не образным, а абстракт­ным, философским языком. Время в моделях чаще всего носит еще циклический характер, но пространство - конечно. В качест­ве субстанции выступают как отдельные стихии (вода, воздух, огонь - в Милетской школе и у Гераклита), смесь стихий, так и единый, неделимый неподвижный Космос (у элеатов), онтологи- зированное число (у пифагорейцев), неделимые структурные еди­ницы - атомы, обеспечивающие единство мира, - у Демокрита. Именно модель Вселенной Демокрита бесконечна в пространст­ве. Натурфилософы определяли статус космических объектов - звезд и планет, различия между ними, их роль и взаиморасполо­жение во Вселенной. В большинстве моделей существенную роль играет движение. Космос построен по единому закону - Логосу, этому же закону подчинен и человек - микрокосм, уменьшенная копия Космоса.

Развитие пифагорейских взглядов, геометризующих Космос и впервые четко представивших его в виде сферы, вращающейся во­круг центрального огня и им же окруженного, получило воплоще­ние в поздних диалогах Платона. Логической вершиной взглядов античности на Космос долгие века считалась модель Аристотеля, математически обработанная Птолемеем. В несколько упрощен­ном виде эта модель, поддерживаемая авторитетом церкви, просу­ществовала около 2 тыс. лет. По Аристотелю, Вселенная: о есть всеобъемлющее целое, состоящее из совокупности всех вос­принимаемых тел; о единственна в своем роде;

о пространственно конечна, ограничена крайней небесной сферой,

за ней же «нет ни пустоты, ни места»; о вечна, безначальна и бесконечна во времени. При этом Земля не­подвижна и находится в центре Вселенной, земное и небесное (надлунное) абсолютно противоположны по своему физико-хи­мическому составу и характеру движения.

В Х1У-Х>/1 вв., в эпоху Возрождения, вновь возникают натур­философские модели Вселенной. Они характеризуются, с одной стороны, возвращением к широте и философичности взглядов ан­тичности, а с другой - строгой логикой и математикой, унаследо­ванной от Средневековья. В результате теоретических изысканий Николай Кузанский, Н. Коперник, Дж. Бруно предлагают модели Вселенной с бесконечным пространством, необратимым линей­ным временем, гелиоцентрической Солнечной системой и мно­жеством миров, подобных ей. Г. Галилей, продолжая эту тради­цию, исследовал законы движения - свойство инерции и первым сознательно использовал мысленные модели (конструкты, позже ставшие основой теоретической физики), математический язык, который он считал универсальным языком Вселенной, сочетание эмпирических методов и теоретической гипотезы, которую опыт должен подтвердить или опровергнуть, и, наконец, астрономиче­ские наблюдения с помощью телескопа, значительно расширив­шие возможности науки.

Г. Галилей, Р. Декарт, И. Кеплер заложили основы современ­ных физических и космогонических представлений о мире, и на их базе и на базе открытых Ньютоном законов механики в конце XVII в. сложилась первая научная космологическая модель Вселен­нойполучившая название классической ньютоновской. Согласно этой модели, Вселенная: О статична (стационарна), т.е. в среднем неизменна во времени; О однородна - все точки ее равноправны; О изотропна - равноправны и все направления; о вечна и пространственно бесконечна, причем пространство и вре­мя абсолютны - не зависят друг от друга и от движущихся масс; О имеет отличную от нуля плотность материи; О имеет структуру, вполне постигаемую на языке наличной системы физического знания, что означает бесконечную экстраполиру- емость законов механики, закона всемирного тяготения, которые являются основными законами для движения всех космических тел.

Кроме того, во Вселенной применим принцип дальнодейст­вия, т.е. мгновенное распространение сигнала; единство Вселен­ной обеспечивается единой структурой - атомарным строением вещества.

Эмпирической базой данной модели служили все полученные в астрономических наблюдениях данные, для их обработки ис­пользовался современный математический аппарат. Эта конст­рукция опиралась на детерминизм и материализм рационалис­тической философии Нового времени . Несмотря на обнару­жившиеся противоречия (фотометрический и гравитационный парадоксы - следствия экстраполяции модели на бесконечность), мировоззренческая привлекательность и логическая непротиво­речивость, а также эвристический потенциал делали ньютонов­скую модель единственно приемлемой для космологов вплоть до XX в.

К необходимости пересмотра взглядов на Вселенную подтолк­нули многочисленные открытия, сделанные в XIX и XX вв.: нали­чие давления света, делимость атома, дефект масс, модель строе­ния атома, неплоские геометрии Римана и Лобачевского, однако только с появлением теории относительности стала возможной новая квантово-релятивистская модель Вселенной.

Из уравнений специальной (СТО, 1905 г.) и общей (ОТО, 1916 г.) теории относительности А. Эйнштейна следует, что про­странство и время связаны между собой в единую метрику, зави­сят от движущейся материи: при скоростях, близких к скоррсти света, пространство сжимается, время растягивается, а вблизи компактных мощных масс пространство-время искривляется, тем самым модель Вселенной геометризируется. Были даже попытки представить всю Вселенную как искривленное пространство-вре­мя, узлы и дефекты которого интерпретировались как массы.

Эйнштейн, решая уравнения для Вселенной, получил модель, ограниченную в пространстве и стационарную. Но для сохране­ния стационарности ему потребовалось ввести в решение допол­нительный лямбда-член, эмпирически ничем не подкрепленный, по своему действию эквивалентный полю, противостоящему гра­витации на космологических расстояниях. Однако в 1922-1924 гг. A.A. Фридман предложил иное решение этих уравнений, из кото­рого вытекала возможность получения трех различных моделей Вселенной в зависимости от плотности материи, но все три моде­ли были нестационарными (эволюционирующими) - модель с расширением, сменяющимся сжатием, осциллирующая модель и модель с бесконечным расширением. В то время отказ от стацио­нарности Вселенной был поистине революционным шагом и вос­принимался учеными с большим трудом, так как казался противо­речащим всем устоявшимся научным и философским взглядам на природу, неизбежно ведущим к креацианизму .

Первое экспериментальное подтверждение нестационарности Вселенной было получено в 1929 г. - Хаббл открыл красное смещение в спектрах удаленных галактик, что, согласно эффек­ту Доплера, свидетельствовало о расширении Вселенной (такую интерпретацию разделяли тогда далеко не все космологи). В 1932- 1933 гг. бельгийский теоретик Ж. Лемегр предложил модель Вселен­ной с «горячим началом», так называемым «Большим взрывом». Но еще в 1940-е и в 1950-е гг. предлагались альтернативные модели (с рождением частиц из с-поля, из вакуума), сохраняющие стационар­ность Вселенной.

В 1964 г. американские ученые - астрофизик А. Пензиас и ра­диоастроном К. Вильсон обнаружили однородное изотропное ре­ликтовое излучение, явно свидетельствующее о «горячем начале» Вселенной. Эта модель стала доминирующей, была признана большинством космологов. Однако сама эта точка «начала», точка сингулярности рождала множество проблем и споров как по пово­ду механизма «Большого взрыва», так и потому, что поведение системы (Вселенной) вблизи нее не удавалось описать в рамках известных научных теорий (бесконечно большие температура и плотность должны были сочетаться с бесконечно малыми разме­рами) . В XX в. выдвигалось множество моделей Вселенной - от тех, которые отвергали в качестве основы теорию относительно­сти, до тех, которые изменяли в базовой модели какой-либо фак­тор, например «сотовое строение Вселенной» или теория струн. Так, для снятия противоречий, связанных с сингулярностью, в 1980-1982 гг. американский астроном П. Стейнхарт и советский астрофизик А. Линде предложили модификацию модели расши­ряющейся Вселенной - модель с инфляционной фазой (модель «раздувающейся Вселенной»), в которой первые мгновения после «Большого взрыва» получали новую интерпретацию. Эту модель продолжали дорабатывать и позже, она снимала ряд существен­ных проблем и противоречий космологии . Исследования не прекращаются и в наши дни: выдвинутая группой японских уче­ных гипотеза о происхождении первичных магнитных полей хо­рошо согласуется с описанной выше моделью и позволяет наде­яться получить новые знания о ранних стадиях существования Вселенной.

Как объект исследования Вселенная слишком сложна, чтобы изучать ее дедуктивно, возможность продвигаться вперед в ее по­знании дают именно методы экстраполяции и моделирования. Одна­ко эти методы требуют точного соблюдения всех процедур (от по­становки проблемы, выбора параметров, степени подобия модели и оригинала до интерпретации полученных результатов), и даже при идеальном выполнении всех требований результаты исследо­ваний будут носить принципиально вероятностный характер.

Математизация знаний, значительно усиливающая эвристи­ческие возможности многих методов, является общей тенденцией науки XX в. Не стала исключением и космология: возникла разно­видность мысленного моделирования - математическое модели­рование, метод математической гипотезы. Сущность его в том, что сначала решаются уравнения, а затем подыскивается физическая интерпретация полученных решений. Данный порядок действий, не характерный для науки прошлого, обладает колоссальным эв- ристнческим потенциалом. Именно этот метод привел Фридмана к созданию модели расширяющейся Вселенной, именно таким путем был открыт позитрон и совершено еще много важных от­крытий в науке конца XX в.

Компьютерные модели, в том числе и при моделировании Все­ленной, рождены развитием компьютерной техники. На их осно­ве доработаны модели Вселенной с инфляционной фазой; в начале XXI в. обработаны большие массивы информации, полученные с космического зонда, и создана модель развития Вселенной с уче­том «темной материи» и «темной энергии».

Со временем изменялась трактовка многих фундаментальных понятий.

Физический вакуум понимается уже не как пустота, не как эфир, а как сложное состояние с потенциальным (виртуальным) содержанием материи и энергии. При этом обнаружено, что из­вестные современной науке космические тела и поля составляют незначительный процент массы Вселенной, а большая часть мас­сы заключена в косвенно обнаруживающих себя «темной мате­рии» и «темной энергии». Исследования последних лет показали, что значительная часть этой энергии действует на расширение, растягивание, разрывание Вселенной, что может привести к фик­сируемому ускорению расширения . В связи с этим требует пе­ресмотра сценарий возможного будущего Вселенной.Категория времени является одной из категорий, наиболее об­суждаемых в космологии. Большинство исследователей придает времени объективный характер, но согласно традиции, идущей от Августина и И. Канта, время и пространство являются формами нашего созерцания, т.е. они толкуются субъективно. Время рас­сматривается либо как параметр, не зависящий от каких бы то ни было факторов (субстанциальная концепция, идущая от Демо­крита и лежащая в основе классической ньютоновской модели Вселенной), либо как параметр, связанный сдвижением материи (реляционная концепция, идущая от Аристотеля и ставшая ос­новой квантово-релятивистской модели Вселенной). Наиболее распространена динамическая концепция, представляющая вре­мя движущимся (говорят о течении времени), но выдвигалась и противоположная концепция - статическая. Время в различных моделях выступает или циклическим, или конечным, или беско­нечным и линейным. Сущность времени чаще всего связывают с причинностью. Обсуждаются такие проблемы, как обоснование выделения настоящего момента времени, его направленности, анизотропии, необратимости, универсальности времени, т.е. при всех ли состояниях Вселенной существует время и всегда ли оно одномерно или может иметь иную размерность и даже не сущест­вовать в определенных условиях (например, в точке сингулярно­сти). Наименее разработан вопрос об особенностях времени в сложных системах: биологических, психических, социальных.

При создании моделей Вселенной существенную роль играют некоторые константы - гравитационная постоянная, постоянная Планка, скорость света, средняя плотность материи, число изме­рений пространства-времени. Исследуя эти константы, некото­рые космологи пришли к выводу, что при других значениях этих констант во Вселенной не существовало бы сложных форм мате­рии, не говоря уже о жизни и тем более разуме.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Евсюков В.В. Мифы о Вселенной. Новосибирск, 1988.

Латыпов H.H., Бейлин В.А., Верешков Г.М. Вакуум, элементарные час­тицы и Вселенная. М., 2001.

Линде А.Д. Физика элементарных частиц и инфляционная космоло­гия. М., 1990.

Надточаев A.C. Философия и наука в эпоху античности. М., 1990.

Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. М., 1990.

Павленко А.Н. Европейская космология: основания эпистемологиче­ского поворота. М., 1997.

Хокинг С. От большого взрыва до черных дыр. М., 1990.

В 1917 г. А. Эйнштейн построил модель Вселенной. В этой модели для преодоления гравитационной неустойчивости Вселенной использовалась космологическая сила отталкивания, получившая название лямбда-параметра. В дальнейшем Эйнштейн скажет, что это была грубейшая его ошибка, противоречащая духу созданной им теории относительности: сила тяготения в этой теории отождествляется с кривизной пространства-времени. Вселенная Эйнштейна имела форму гиперцилиндра, протяженность которого определялась общим количеством и составом форм проявления энергии (вещество, поле, излучение, вакуум) в этом цилиндре. Время в этой модели направлено от бесконечного прошлого к бесконечному будущему. Таким образом, здесь величина энергии-, массы Вселенной (вещество, поле, излучение, вакуум) пропорционально связана с пространственной ее структурой: ограниченная по своей форме, но бесконечного радиуса и бесконечная во времени.

Исследователи, которые стали анализировать эту модель, обратили внимание

на ее чрезвычайную неустойчивость, подобную стоящей на ребре монете, одна сторона которой соответствует расширяющейся Вселенной, другая - замкнутой: при учете одних физических параметров Вселенной, по модели Эйнштейна, она получается вечно расширяющейся, при учете других - замкнутой. Например, голландский астроном В. де Ситтер, допустив, что время искривлено так же, как и пространство в модели Эйнштейна, получил модель Вселенной, в которой в очень удаленных объектах время полностью останавливается.

А. Фри д ман, ф и з ик и математик Петроградского университета, опубликовал в 1922 г . статью « О кривизне пространства». В ней приводились результаты исследований общей теории относительности, которые не исключали математической возможности существования трех моделей Вселенной: модель Вселенной в евклидовом пространстве (К = 0); модель с коэффициентом, равным (К> 0) и модель в пространстве Лобачевского - Больяй (К < 0).

В своих вычислениях А. Фридман исходил из положения о том, чт о величина и

радиус Вселенной пропорциональны величине энергии, вещества и другим

формам ее проявления во Вселенной в целом. Математические выводы А.Фридмана отрицали необходимость введения космологической силы отталкивания, поскольку из общей теории относительности не исключалась возможность существования модели Вселенной, в которой процессу ее расширения соответствует процесс сжатия, связанный с ростом плотности, давления составляющей Вселенную энергии-материи (вещество, поле, излучение, вакуум). Выводы А. Фридмана вызвали сомнение у многих ученых и у самого А. Эйнштейна. Хотя уже в 1908 г. математик Г. Минковский, дав геометрическую интерпретацию специальной теории относительности, получил модель Вселенной, в которой коэффициент кривизны равен нулю (К = 0), т. е. модель Вселенной в евклидовом пространстве.

Н. Лобачевский, основатель неевклидовой геометрии, проводил измерение углов треугольника между удаленными от Земли звездами и обнаружил, что сумма углов треугольника равна 180°, т. е. пространство в космосе является евклидовым. Наблюдаемая евклидовость пространства Вселенной является одной из загадок современной космологии. В настоящее время считается, что плотность вещества

во Вселенной составляет 0,1-0,2 части от критической плотности. Критическая плотность примерно равна 2 · 10 -29 г /см 3 . Достигнув критической плотности, Вселенная начнет сжиматься.

Модель А. Фридмана с «К > 0» - это расширяющаяся Вселенная из исходного

ее состояния, к которому она должна вновь возвратиться. В этой модели появилось понятие возраста Вселенной: наличие предшествующего состояния относительно наблюдаемого в определенный момент.

Предположив, что масса всей Вселенной равна 5 · 10 2 1 масс Солнца, А.

Фридман рассчитал, что наблюдаемая Вселенная находилась в сжатом состоянии

по модели «K > 0» приблизительно 10-12 млрд лет тому назад. После этого она стала расширяться, но это расширение не будет бесконечным и через определенное время произойдет вновь сжатие Вселенной. А. Фридман отказывался обсуждать физику начального, сжатого состояния Вселенной, поскольку законы микромира к тому времени не были ясны. Математические выводы А. Фридмана многократно проверялись и перепроверялись не только А. Эйнштейном, но и другими учеными. Через определенное время А. Эйнштейн в ответе на письмо А. Фридмана признал правильность этих решений и назвал А. Фридмана «первым ученым, ставшим на путь построения релятивистских моделей Вселенной». К сожалению, А. Фридман рано умер. В его лице наука потеряла талантливого ученого.

Как уже отмечалось выше, ни А. Фридману, ни А. Эйнштейну не были известны данные о факте «разбегания» галактик, полученные американским астрономом В. Слайфером (1875-1969) в 1912 г. К 1925 г. он измерил скорость движения несколько десятков галактик. Поэтому космологические идеи А. Фридмана обсуждались преимущественно в теоретическом плане. Н о уже в 1929

г. американский астроном Э. Хаббл (1889-1953) с помощью телескопа с приборами спектр а льного анализа от крыл т а к называ е мый э ффект

«красного смещения». Свет, идущий от галактик, которые он наблюдал,

смещался в красную часть цветового спектра видимого света. Это говорило о том,

что наблюдаемые галактики удаляются, «разбегаются» от наблюдателя.

Эффект «красного смещения» - частный случай эффекта Доплера. Австрийский ученый К.Доплер (1803-1853) открыл его в 1824 г. При удалении источника волн относительно прибора, фиксирующего волны, длина волны увеличивается и становится короче при приближении к неподвижному приемнику волны. В случае световых волн длинные волны света соответствуют красному сегменту светового спектра (красный - фиолетовый), короткие - фиолетовому сегменту. Эффект «красного смещения» был использован Э. Хабблом для измерения расстояний до галактик и скорости их удаления: если «красное смещение» от галактики А, например, боль ш е в два раза, чем от галактики В, то расстояние до галактики А в два раза больше, чем до галактики В.

Э. Хаббл установил, что все наблюдаемые галактики удаляются по всем направлениям небесной сферы со скоростью, пропорциональной расстоянию до них: Vr = Нr, где r - расстояние до наблюдаемой галактики, измеряемой в парсеках (1 пс приблизительно равен 3,1 10 1 6 м), Vr - скорость движения наблюдаемой галактики, Η - постоянная Хаббла, или коэффициент пропорциональности между скоростью движения галактики и расстоянием до нее

от наблюдателя. Небесная сфера - это понятие, которое используется для описания объектов звездного неба невооруженным глазом. Древние считали небесную сферу реальностью, на внутренней стороне которой закреплены звезды. Вычисляя значение этой величины, которую потом стали называть постоянной Хаббла, Э. Хаббл пришел к выводу о том, что она равна приблизительно 500 км/(с Мпс). Иначе говоря, отрезок пространства в один миллион парсек увеличивается за одну секунду на 500 км.

Формула Vr = Нr позволяет рассматривать как удаление галактик, так и обратную ситуацию, движение к некоему исходному положению, началу «разбегания» галактик во времени. Величина, обратная постоянной Хаббла, имеет размерность времени: t (время) = r/Vr = 1/H. При значении Н, о котором говорилось выше, Э. Хаббл получил время начала «разбегания» галактик, равное 3 млрд лет, что вызвало у него сомнение относительности правильности вычисленной им величины. Пользуясь эффектом «красного смещения», Э. Хаббл достиг самых удаленных галактик, известных в то время: чем дальше галактика, тем меньше воспринимаемая нами ее яркость. Это позволило Э. Хабблу говорить о том, что формула Vr = Hr выражает наблюдаемый факт расширения Вселенной, о котором говорилось в модели А. Фридмана. Астрономические исследования Э. Хаббла стали рассматриваться рядом ученых как опытные подтверждения правоты модели А. Фридмана о нестационарной, расширяющейся Вселенной.

Уже в 30-е годы некоторые ученые высказывали сомнения по поводу данных

Э. Хаббла. Например, П. Дирак высказал гипотезу о естественном краснении квантов света в силу их квантовой природы, взаимодействия с электромагнитными полями космического пространства. Другие указывали на теоретическую несостоятельность постоянной Хаббла: почему величина постоянной Хаббла должна быть вкаждой момент времени одинаковой в эволюции Вселенной? Это устойчивое постоянство постоянной Хаббла предполагает, что известные нам законы Вселенной, действующие вМегагалактике, обязательны для всей Вселенной в целом. Возможно, как говорят критики постоянной Хаббла, существуют какие-то другие законы, которым не будет соответствовать постоянная Хаббла.

Например, говорят они, свет может «краснеть» за счет воздействия на него межзвездной (МЗС) и межгалактической (МГЗ) среды, которые могут удлинять длину волны его движения к наблюдателю. Другим вопросом, вызвавшим дискуссии в связи с исследованиями Э. Хаббла, был вопрос о предположении возможности движений галактик со скоростью, превышающей скорость света. Если это возможно, то тогда эти галактики могут исчезнуть из нашего наблюдения, поскольку из общей теории относительности никакие сигналы не могут быть переданы быстрее света. Тем не менее большинство ученых считают, что наблюдения Э. Хаббла установили факт расширения Вселенной.

Факт расширения галактик не означает расширения внутри самих галактик, так как их структурная определенность обеспечивается действием внутренних сил гравитации.

Наблюдения Э. Хаббла способствовали дальнейшему обсуждению моделей А. Фридмана. Бельгийский монах и астроном Ж. Ле м етр (в пе р вой половине прошлого) века обратил вним а ние на сл е дующее обстоятельство: разбегание галактик означает расширение пространства, следовательно, в прошлом

было уменьшение объема и п л отности в е щества. Первоначальную плотность вещества Леметр назвал протоатомом с плотностью 10 9 3 г/см 3 , из которого Богом был создан мир. Из этой модели следует, что понятие плотности вещества может быть использовано для определения границы применимости понятий пространства и времени. При плотности 10 9 3 г/см 3 понятия времени и пространства теряют свой обычный физический смысл. Эта модель привлекла внимание к физическому состоянию со сверхплотными и сверхгорячими физическими параметрами. Кроме этого, были предложены модели пульсирующей Вселенной: Вселенная расширяется и сжимается, но никогда не доходит до крайних пределов. Модели пульсирующей Вселенной придают большое значение измерению плотности энергии-вещества во Вселенной. При достижении критического предела плотности Вселенная расширяется или сжимается. В результате появился термин «сингул я рное» (лат. singularus - отдельный, единичный) состояние, в котором плотность и температура принимают бесконечное значение. Это направление исследований столкнулось с проблемой «скрытой массы» Вселенной. Дело в том, что наблюдаемая масса Вселенной не совпадает с ее массой, вычисленной на основе теоретических моделей.

Модель «Большого взрыва». Наш соотечественник Г. Гамов (1904-1968)

работал в Петроградском университете и был знаком с космологическими идеями

А. Фридмана. В 1934 г. он был послан в командировку в США, где остался до конца своей жизни. Под влиянием космологических идей А. Фридмана Г. Гамов заинтересовался двумя проблемами:

1) относительной распространенностью химических элементов во Вселенной и 2) их происхождением. К концу первой половина ХХ в. велась оживленная дискуссия по этим проблемам: где могут образовываться тяжелые химические элементы, если водород (1 1 Н) и гелий (4 Н) являются самыми распространенными химическими элементами во Вселенной. Г. Гамов предположил, что химические элементы ведут свою историю от самого начала расширения Вселенной.

Модель Г. Гамова н а зывается моделью «Большого взрыва», н о она имеет

и другое название: «А-Б-Г-теория» . В этом названии указаны начальные буквы авторов статьи (Альфер, Бете, Гамов), которая была опубликована в 1948 г. и содержала модель «горячей Вселенной», но основная идея этой статьи принадлежала Г. Гамову.

Кратко о сути этой модели:

1. «Исходное начало» Вселенной, по модели Фридмана, было представлено сверхплотным и сверхгорячим состоянием.

2. Это состояние возникло в результате предыдущего сжатия всей материальной, энергетической составляющей Вселенной.

3. Этому состоянию соответствовал чрезвычайно малый объем.

4. Энергия-материя, достигнув некоторого предела плотности и температуры в этом состоянии, взорвалась, произошел Большой взрыв, который Гамов назвал

«Космологическим Большим взрывом».

5. Речь идет о необычном взрыве.

6. Большой взрыв придал определенную скорость движения всем фрагментам исходного физического состояния до Большого взрыва.

7. Поскольку исходное состояние было сверхгорячим, то расширение должно сохранить остатки этой температуры по всем направлениям расширяющейся Вселенной.

8. Величина этой остаточной температуры должна быть приблизительно одинаковой во всех точках Вселенной.

Это явление было названо реликтовым (древним), фо н овым изл у чение м. В

1953 г. Г. Гамов вычислил волновую температуру реликтового излучения. У него

получилось 10 К. Реликтовое излучение - это микроволновое электромагнитное излучение.

В 1964 г. американские специалисты А. Пензиас и Р. Вильсон случайно обнаружили реликтовое излучение. Установив антенны нового радиотелескопа, они не могли избавиться от помех в диапазоне 7,8 см. Эти помехи, шум шли из космоса, одинаковые по величине и по всем направлениям. Измерения этого фона излучения дали температуру меньше 10 К.

Таким образом, гипотеза Г. Гамова о реликтовом, фоновом излучении подтвердилась. В своих работах о температуре фонового излучения Г. Гамов использовал формулу А. Фридмана, выражающую зависимость изменения плотности излучения во времени. В параболической (К> 0) модели Вселенной. Фридман рассматривал состояние, когда излучение преобладает над веществом неограниченно расширяющейся Вселенной.

Согласно модели Гамова в развитии Вселенной существовало две эпохи: а) преобладание излучения (физического поля) над веществом;

б) преобладание вещества над излучением. В начальный период излучение преобладало над веществом, затем было время, когда их отношение было равным, и период, когда вещество стало преобладать над излучением. Гамов определил границу между этими эпохами - 78 млн лет.

В конце ХХ в. измерения микроскопических изменений фонового излучения, которую назвали ряб ь ю, позволили ряду исследователей утверждать, что эта рябь представляет изменение плотности вещества и энер г ии в результате действия сил гравитации на ранних стадиях развития Вселенной.

Модель«Ин ф л яци о нной Вселенной» .

Термин «инфляция» (лат. «inflation» ) трактуется как вздутие. Два исследователя А. Гут и П. Сейнхардт предложили эту модель. В этой модели эволюция Вселенной сопровождается гигантским вздутием квантового вакуума: за 10 -30 с происходит увеличение размеров Вселенной в 10 50 раз. Инфляция является адиабатическим процессом. Он связан с охлаждением и возникновением различия между слабым, электромагнитным и сильным взаимодействием. Аналогия раздувания Вселенной может быть, грубо говоря, представлена как внезапная кристаллизация переохлажденной жидкости. Первоначально инфляционная фаза рассматривалась как «второе рождение» Вселенной после Большого взрыва. В настоящее время инфляционные модели используют понятие и н ф латонн о го поля . Это гипотетическое поле (от слова «инфляция»), в котором благодаря случайным колебаниям образовалась однородная конфигурация этого поля размером более 10 -33 см. Из нее произошло расширение и разогревание Вселенной, в которой мы живем.

Описание событий во Вселенной на основе модели «Инфляционной Вселенной» полностью совпадает с описанием на основе модели Большого взрыва, начиная с 10 -30 с расширения. Фаза раздувания означает, что наблюдаемая Вселенная составляет только часть Вселенной. В учебнике Т. Я. Дубнищевой «Концепции современного естествознания» предлагается следующий ход событий согласно модели «Инфляционной Вселенной»:

1) t - 10 - 4 5 с. К этому моменту после начала расширения Вселенной ее радиус составлял приблизительно 10 -50 см. Это событие является необычным с точки зрения современной физики. Предполагается, что ему предшествуют события, порождаемые квантовыми эффектами инфлатонного поля. Это время меньше времени «эры Планка» - 10 - 4 3 с. Но это не смущает сторонников этой модели, которые проводят вычисления со временем 10 -50 с;

2) t - приблизительно от 10 -43 до 10 -35 с - эпоха «Великого объединения» или объединения всех сил физического взаимодействия;

3) t - приблизительно от 10 - 3 5 до 10 -5 - быстрая часть инфляционной фазы,

когда диаметр Вселенной увеличился в 10 5 0 раз. Речь идет о возникновении и образовании электронно-кварковой сред ы;

4) t - приблизительно от 10 -5 до 10 5 с происходит вначале удержание кварков в адронах, а затем образование ядер будущих атомов, из которых в дальнейшем образуется вещество.

Из этой модели следует, что через одну секунду от начала расширения Вселенной идет процесс возникновения вещества, разъединение его с фотонами электромагнитного взаимодействия и образования протосверхскоплений и протогалактик. Разогревание происходит в результате возникновения частиц и античастиц, взаимодействующих между собой. Этот процесс называется аннигиляцией (лат. nihil - ничто или превращение в ничто). Авторы модели считают, что аннигиляция асимметрична в сторону образования обыкновенных частиц, из которых состоит наша Вселенная. Таким образом, основная идея модели «Инфляционной Вселенной» - исключить из космологии понятие

«Большого взрыва» как особого, необычного, исключительного состояния в эволюции Вселенной. Однако в этой модели появляется не менее необычное состояние. Это состояние ко н ф игурации и н ф латонного поля. Возраст Вселенной в этих моделях оценивается в 10-15 млрд лет.

«Инфляционная модель» и модель «Большого взрыва» дают объяснение наблюдаемой неоднородности Вселенной (плотности сгущения вещества). В частности, считается, что при раздувании Вселенной возникли космические неоднородности-текстуры как зародыши агрегатов вещества, которые в дальнейшем разрослись до галактик и их скоплений. Об этом свидетельствует зафиксированное в 1992г. отклонение температуры реликтового излучения от среднего его значения 2,7 К примерно на 0,00003 К. Обе модели говорят о горячей расширяющейся Вселенной, в среднем однородной и изотропной относительно реликтового излучения. В последнем случае имеется в виду факт практически одинакового значения реликтового излучения во всех частях наблюдаемой Вселенной по всем направлениям от наблюдателя.

Существуют альтернативные моделям «Большого взрыва» и «Инфляционной

Вселенной»: модели «Стационарной Вселенной», «Холодной Вселенной» и

«Самосогласованной космологии».

Модель «Стационарной Вселенной». Эта модель была разработана в 1948 г. Она основывалась на принципе «космологического постоянства» Вселенной: не только во Вселенной не должно быть ни одного выделенного места, но и во времени не должен быть выделен ни один момент. Авторами этой модели являются Г. Бонди, Т. Голдом и Ф. Хойл, последний - широко известный автор популярных книг по проблемам космологии. В одной из своих работ он писал:

«Каждое облако, галактика, каждая звезда, каждый атом имели начало, но не Вселенная целиком, Вселенная есть нечто большее, чем ее части, хотя этот вывод может показаться неожиданным». Данная модель предполагает наличие во Вселенной внутреннего источника, резервуара энергии, который поддерживает плотность ее энергии-материи на «постоянном уровне, препятствующем сжатию Вселенной». Например, Ф. Хойл утверждал, что если бы в одном ведре пространства за каждые 10 млн лет возникал один атом, то плотность энергии, вещества и излучения во Вселенной в целом будет постоянной. Эта модель не объясняет, каким образом возникли атомы химических элементов, вещество и т.

д. Открытие реликтового, фонового излучения сильно подорвало теоретические основания этой модели.

Модель « Холодной Вселенно й ». Модель была предложена в шестидесятых

годах прошлого века советским астрофизиком Я. Зельдовичем. Сравнение

теоретических значений плотности и температуры излучения по модели

«Большого взрыва» с данными радиоастрономии позволило Я. Зельдовичу высказать гипотезу, согласно которой исходным физическим состоянием Вселенной был холодный протонно-электронный газ с примесью нейтрино: на каждый протон приходится один электрон и одно нейтрино. Обнаружение реликтового излучения, подтверждающего гипотезу об исходном горячем состоянии в эволюции Вселенной, привело Зельдовича к отказу от собственной модели «Холодной Вселенной». Однако идея вычисления соотношений между количеством разного типа частиц и распространенности химических элементов во Вселенной оказалась плодотворной. В частности, было установлено, что плотность энергии-материи во Вселенной совпадает с плотностью реликтового излучения.

Модель «Вселенная в атоме». Эта модель утверждает, что существует на самом деле не одна, а множество Вселенных. Модель «Вселенная в атоме» основывается на понятии замкнутого мира по А. Фридману. Замкнутый мир - область Вселенной, в которой силы притяжения между ее составляющими равны энергии их общей массы. В этом случае внешние размеры подобной Вселенной могут быть микроскопическими. С точки зрения внешнего наблюдателя это будет микроскопический объект, а с точки зрения наблюдателя внутри этой Вселенной все выглядит иначе: свои галактики, звезды и т. п. Эти объекты получили название ф ридмонов. Академик А. А. Марков высказал гипотезу о том, что фридмонов может быть неограниченное количество и они могут быть полностью незамкнутыми, т. е. у них есть вход в их мир и выход (связь) с другими мирами. Получается множество Вселенных, или, как назвал в одной из своих работ член- корреспондент АН СССР И. С. Шкловский, - Метавселенная.

Идея о множественности Вселенных высказана А. Гутом, одним из авторов инфляционной модели Вселенной. В раздувающейся Вселенной возможно образование «аневризмов» (термин из медицины, означает выпячивание стенок кровеносных сосудов) от материнской Вселенной. Согласно этому автору вполне является возможным создание Вселенной. Для этого нужно сжать 10 кг вещества

до размера меньшего, чем одна квадриллионная часть элементарной частицы.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Модель «Большого взрыва».

2. Астрономические исследования Э. Хаббла и их роль в развитии

современной космологии.

3. Реликтовое, фоновое излучение.

4. Модель «Инфляцио нн ой Вселе нн ой».

Введение.Строение Вселенной в Древности

3Гелиоцентрическая модель Вселенной.Космологические модели Вселенной

1Космология

2Стационарная модель Вселенной

3Нестационарная модель Вселенной

4Современные исследования космологических моделей Вселенной. Нобелевская премия за открытие ускоренного расширения Вселенной

5Темная материя

6Темная энергия

Заключение

Литература

Введение

Вселенная как целое является предметом особой астрономической науки - космологии, имеющей древнюю историю. Истоки ее уходят в античность. Космология долгое время находилась под значительным влиянием религиозного мировоззрения, будучи не столько предметом познания, сколько делом веры.

Начиная с XIX в. космологические проблемы - не дело веры, а предмет научного познания. Они решаются с помощью научных понятий, представлений, теорий, а также приборов и инструментов, позволяющих понять, какова структура вселенной и как она сформировалась. В XX в. был достигнут существенный прогресс в научном понимании природы и эволюции Вселенной как целого. Конечно, понимание этих проблем пока еще далеко от своего завершения, и, несомненно, будущее приведет к новым великим переворотам в принятых сейчас взглядах на картину мироздания. Тем не менее, важно отметить, что здесь мы имеем дело именно с наукой, с рациональным знанием, а не с верованиями и религиозными убеждениями.

Актуальность данной работы обусловлена, с одной стороны, большим интересом к строению Вселенной в современной науке, с другой стороны, ее недостаточной разработанностью, а также вниманием к Вселенной в современном мире.

Объект исследования: Вселенная.

Предмет исследования: модели строения Вселенной.

Цель работы: рассмотреть современные космологические модели Вселенной.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

)Проанализировать литературу по курсу общей физики и астрономии, в связи с выбором предмета исследования.

)Проследить историю космологических исследований.

)Рассмотреть современные космологические модели.

)Подобрать иллюстративный материал.

Курсовая работа состоит из введения, трех глав, заключения и библиографии. Глава 1 посвящена истории строения Вселенной, Глава 2 рассматривает космологические модели Вселенной, Глава 3 открывает современные исследования космологических моделей, в заключении подводятся итоги о проделанной работе.

Глава 1. Строение Вселенной в Древности

.1 Пироцентрическая модель Вселенной

Путь к пониманию положения нашей планеты и живущего на ней человечества во Вселенной был очень непростым и подчас весьма драматичным. В древности было естественным считать, что Земля является неподвижной, плоской и находится в центре мира. Казалось, что вообще весь мир создан ради человека. Подобные представления получили название антропоцентризма (от греч. antropos - человек). Многие идеи и мысли, которые в дальнейшем отразились в современных научных представлениях о природе, в частности в астрономии, зародились в Древней Греции, еще за несколько веков до нашей эры. Трудно перечислить имена всех мыслителей и их гениальные догадки. Выдающийся математик Пифагор (VI в. до н. э.) был убежден, что «в мире правит число». Считается, что именно Пифагор первым высказал мысль о том, что Земля, как и все другие небесные тела, имеет шарообразную форму и находится во Вселенной без всякой опоры. Пифагорейцы предложили пироцентрическую модель Вселенной, в которой звёзды, Солнце, Луна и шесть планет обращаются вокруг Центрального Огня (Гестии). Чтобы всего получилось священное число - десять - сфер, шестой планетой объявили Противоземлю (Антихтон). Как Солнце, так и Луна, по этой теории, светили отражённым светом Гестии. Это была первая математическая система мира - у остальных древних космогонистов работало скорее воображение, чем логика. Расстояния между сферами светил у пифагорейцев соответствовали музыкальным интервалам в гамме; при вращении их звучит «музыка сфер», неслышимая нами. Пифагорейцы считали Землю шарообразной и вращающейся, отчего и происходит смена дня и ночи. У пифагорейцев возникло впервые и понятие эфира. Это самый верхний, чистый и прозрачный слой воздуха, место пребывания богов .

1.2 Геоцентрическая модель Вселенной

Другой не менее известный ученый древности, Демокрит - основоположник представлений об атомах, живший за 400 лет до нашей эры, - считал, что Солнце во много раз больше Земли, что Луна сама не светится, а лишь отражает солнечный свет, а Млечный Путь состоит из огромного количества звезд. Обобщить все знания, которые были накоплены к IV в. до н. э., смог выдающийся философ античного мира Аристотель (384-322 до н. э.).

Рис. 1. Геоцентрическая система мира Аристотеля-Птолемея.

Его деятельность охватывала все естественные науки - сведения о небе и Земле, о закономерностях движения тел, о животных и растениях и т. д. Главной заслугой Аристотеля как ученого-энциклопедиста было создание единой системы научных знаний. На протяжении почти двух тысячелетий его мнение по многим вопросам не подвергалось сомнению. Согласно Аристотелю, все тяжелое стремится к центру Вселенной, где скапливается и образует шарообразную массу - Землю. Планеты размещены на особых сферах, которые вращаются вокруг Земли. Такая система мира получила название геоцентрической (от греческого названия Земли - Гея). Аристотель не случайно предложил считать Землю неподвижным центром мира. Если бы Земля перемещалась, то, по справедливому мнению Аристотеля, было бы заметно регулярное изменение взаимного расположения звезд на небесной сфере. Но ничего подобного никто из астрономов не наблюдал. Только в начале XIX в. было наконец-то обнаружено и измерено смещение звезд (параллакс), происходящее вследствие движения Земли вокруг Солнца. Многие обобщения Аристотеля были основаны на таких умозаключениях, которые в то время не могли быть проверены опытом. Так, он утверждал, что движение тела не может происходить, если на него не действует сила. Как вы знаете из курса физики, эти представления были опровергнуты только в XVII в. во времена Галилея и Ньютона .

1.3 Гелиоцентрическая модель Вселенной

Среди ученых древности выделяется смелостью своих догадок Аристарх Самосский, живший в III в. до н. э. Он первым определил расстояние до Луны, вычислил размеры Солнца, которое, по его данным, оказалось в 300 с лишним раз больше Земли по объему. Вероятно, эти данные стали одним из оснований для вывода о том, что Земля вместе с другими планетами движется вокруг этого самого крупного тела. В наши дни Аристарха Самосского стали называть «Коперником античного мира». Этот ученый внес новое в учение о звездах. Он считал, что они отстоят от Земли неизмеримо дальше, чем Солнце. Для той эпохи это открытие было весьма важным: из уютного домашнего мирка Вселенная превращалась в необъятный гигантский мир. В этом мире Земля с ее горами и равнинами, с лесами и полями, с морями и океанами становилась крошечной пылинкой, затерянной в грандиозном пустом пространстве. К сожалению, труды этого замечательного ученого до нас практически не дошли, и более полутора тысяч лет человечество было уверено, что Земля - это неподвижный центр мира. В немалой степени этому способствовало математическое описание видимого движения светил, которое разработал для геоцентрической системы мира один из выдающихся математиков древности - Клавдий Птолемей во II в. н.э. Наиболее сложной задачей оказалось объяснение петлеобразного движения планет .

Птолемей в своем знаменитом сочинении «Математический трактат по астрономии» (оно более известно как «Альмагест») утверждал, что каждая планета равномерно движется по эпициклу- малому кругу, центр которого движется вокруг Земли по деференту - большому кругу. Тем самым ему удалось объяснить особый характер движения планет, которым они отличались от Солнца и Луны. Система Птолемея давала чисто кинематическое описание движения планет - иного наука того времени предложить не могла. Вы уже убедились, что использование модели небесной сферы при описании движения Солнца, Луны и звезд позволяет вести многие полезные для практических целей расчеты, хотя реально такой сферы не существует. То же справедливо и в отношении эпициклов и деферентов, на основе которых можно с определенной степенью точности рассчитывать положение планет.

Рис. 2. Движение Земли и Марса.

Однако с течением времени требования к точности этих расчетов постоянно возрастали, приходилось добавлять все новые и новые эпициклы для каждой планеты. Все это усложняло систему Птолемея, делая ее излишне громоздкой и неудобной для практических расчетов. Тем не менее геоцентрическая система оставалась незыблемой еще около 1000 лет. Ведь после расцвета античной культуры в Европе наступил длительный период, в течение которого не было сделано ни одного существенного открытия в астрономии и многих других науках. Только в эпоху Возрождения начинается подъем в развитии наук, в котором астрономия становится одним из лидеров. В 1543 г. была издана книга выдающегося польского ученого Николая Коперника (1473-1543), в которой он обосновал новую -гелиоцентрическую - систему мира. Коперник показал, что суточное движение всех светил можно объяснить вращением Земли вокруг оси, а петлеобразное движение планет - тем, что все они, включая Землю, обращаются вокруг Солнца .

На рисунке показано движение Земли и Марса в тот период, когда, как нам кажется, планета описывает на небе петлю. Создание гелиоцентрической системы ознаменовало новый этап в развитии не только астрономии, но и всего естествознания. Особо важную роль сыграла идея Коперника о том, что за видимой картиной происходящих явлений, которая кажется нам истинной, надо искать и находить недоступную для непосредственного наблюдения сущность этих явлений. Гелиоцентрическая система мира, обоснованная, но не доказанная Коперником, получила свое подтверждение и развитие в трудах таких выдающихся ученых, как Галилео Галилей и Иоганн Кеплер.

Галилей (1564-1642), одним из первых направивший телескоп на небо, истолковал сделанные при этом открытия как доводы в пользу теории Коперника. Открыв смену фаз Венеры, он пришел к выводу, что такая их последовательность может наблюдаться только в случае ее обращения вокруг Солнца .

Рис. 3. Гелиоцентрическая система мира.

Обнаруженные им четыре спутника планеты Юпитер также опровергали представления о том, что Земля является единственным в мире центром, вокруг которого может происходить вращение других тел. Галилей не только увидел горы на Луне, но даже измерил их высоту. Наряду с несколькими другими учеными он также наблюдал пятна на Солнце и заметил их перемещение по солнечному диску. На этом основании он заключил, что Солнце вращается и, следовательно, имеет такое движение, которое Коперник приписывал нашей планете. Так был сделан вывод о том, что Солнце и Луна имеют определенное сходство с Землей. Наконец, наблюдая в Млечном Пути и вне его множество слабых звезд, недоступных невооруженному глазу, Галилей сделал вывод о том, что расстояния до звезд различны и никакой «сферы неподвижных звезд» не существует. Все эти открытия стали новым этапом в осознании положения Земли во Вселенной .

Глава 2. Космологические модели Вселенной

.1 Космология

В переводе с греческого космология означает «описание мирового порядка». Это научная дисциплина, призванная найти наиболее общие законы движения Материи и построить понимание Вселенной как гармоничного единого целого. В идеале в ней (в космологической теории) не должно быть места случайности, но все наблюдаемые в Космосе явления должны представать как проявления общих законов движения Материи. Таким образом, космология - это ключи к пониманию всего, что происходит как в макрокосмосе, так и в микрокосмосе.

Космология - раздел астрономии и астрофизики, изучающий происхождение, крупномасштабную структуру и эволюцию Вселенной. Данные для космологии в основном получают из астрономических наблюдений. Для их интерпретации в настоящее время используется общая теория относительности А.Эйнштейна (1915). Создание этой теории и проведение соответствующих наблюдений позволило в начале 1920-х годов поставить космологию в ряд точных наук, тогда как до этого она скорее была областью философии. Сейчас сложились две космологические школы: эмпирики ограничиваются интерпретацией наблюдательных данных, не экстраполируя свои модели в неизученные области; теоретики пытаются объяснить наблюдаемую Вселенную, используя некоторые гипотезы, отобранные по принципу простоты и элегантности. Широкой известностью пользуется сейчас космологическая модель Большого взрыва, согласно которой расширение Вселенной началось некоторое время тому назад из очень плотного и горячего состояния; обсуждается и стационарная модель Вселенной, в которой она существует вечно и не имеет ни начала, ни конца .

2.2 Стационарная модель Вселенной

Начало новой теории происхождения Вселенной было положено публикацией в 1916 году работы Альберта Эйнштейна "Основы общей теории относительности".

Эта работа является основой Релятивистской Теории Гравитации, на которую, в свою очередь, опирается современная космология. Общая теория относительности применяется уже ко всем системам отсчета (а не только к движущимися с постоянной скоростью друг относительно друга) и выглядит математически гораздо сложнее, чем специальная (чем и объясняется разрыв в одиннадцать лет между их публикацией). Она включает в себя как частный случай специальную теорию относительности (и, следовательно, законы Ньютона). При этом общая теория относительности идёт значительно дальше всех своих предшественниц. В частности, она дает новую интерпретацию гравитации. Общая теория относительности делает мир четырехмерным: к трем пространственным измерениям добавляется время. Все четыре измерения неразрывны, поэтому речь идет уже не о пространственном расстоянии между двумя объектами, как это имеет место в трехмерном мире, а о пространственно-временных интервалах между событиями, которые объединяют их удаленность друг от друга - как по времени, так и в пространстве. То есть пространство и время рассматриваются как четырехмерный пространственно-временной континуум или, попросту, пространство-время. Уже в 1917 году сам Эйнштейн предложил выведенную им из своих уравнений поля модель пространства, известную ныне как Модель Вселенной Эйнштейна. По своей сути это была стационарная модель. Чтобы не вступать в противоречие со статичностью, Эйнштейн модифицировал свою теорию, введя в уравнения так называемую космологическую постоянную. Он ввел новую «антигравитационную» силу, которая в отличие от других сил не порождалась каким-либо источником, а была заложена в саму структуру пространства-времени. Эйнштейн утверждал, что пространство - время само по себе всегда расширяется и этим расширением точно уравновешивается притяжение всей остальной материи во Вселенной, так что в результате Вселенная оказывается статической.

С учётом космологической постоянной уравнения Эйнштейна имеют вид:

где ? - космологическая постоянная, gab - метрический тензор, Rab - тензор Риччи, R - скалярная кривизна, Tab - тензор энергии-импульса, c - скорость света, G - гравитационная постоянная Ньютона.

«Вселенная, изображаемая теорией относительности Эйнштейна, подобна раздувающемуся мыльному пузырю. Она - не его внутренность, а пленка. Поверхность пузыря двумерна, а пузырь Вселенной имеет четыре измерения: три пространственных и одно - временное», - так писал некогда видный английский физик Джеймс Джинс. Этот современный ученый (он умер в 1946 году) как бы возродил старую идею последователей Платона и Пифагора о том, что все вокруг - чистая математика, и бог, создавший эту математическую Вселенную, сам был великим математиком .

Но и Эйнштейн тоже был великим математиком. Его формулы позволяют вычислить радиус этой Вселенной. Поскольку кривизна ее зависит от массы тел, которые ее составляют, то надо знать среднюю плотность материи. Астрономы в течение многих лет изучали одни и те же маленькие участки неба и скрупулезно подсчитывали количество материи в них. Оказалось, что плотность равна приблизительно 10 -30 г/см 3 . Если подставить эту цифру в формулы Эйнштейна, то, во-первых, получится положительная величина кривизны, то есть наша Вселенная замкнута! - а, во-вторых, радиус ее равен 35 миллиардам световых лет. Это значит, что хотя Вселенная и конечна, но она огромна - луч света, мчась по Большому Космическому кругу, вернется в ту же точку через 200 миллиардов земных лет!

Это не единственный парадокс вселенной Эйнштейна. Она не только конечна, но безгранична, она еще и непостоянна. Свою теорию Альберт Эйнштейн сформулировал в виде десяти очень сложных, так называемых нелинейных дифференциальных уравнений. Однако далеко не все ученые отнеслись к ним как к десяти заповедям, допускающим лишь одно-единственное толкование. Да это и не удивительно - ведь точно решить такие уравнения современная математика не умеет, а приближенных решений может быть много.

2.3 Нестационарная модель Вселенной

Первые принципиально новые революционные космологические следствия общей теории относительности раскрыл выдающийся советский математик и физик-теоретик Александр Александрович Фридман (1888-1925).

Основными уравнениями общей теории относительности являются «мировые уравнения» Эйнштейна, которые описывают геометрические свойства, или метрику, четырехмерного искривленного пространства - времени.

Решение их позволяет в принципе построить математическую модель Вселенной. Первую такую попытку предпринял сам Эйнштейн. Считая радиус кривизны пространства постоянным (т. е. исходя из предположения о стационарности Вселенной в целом, что представлялось наиболее разумным), он пришел к выводу, что Вселенная должна быть пространственно конечной и иметь форму четырехмерного цилиндра. В 1922-1924 гг. Фридман выступил с критикой выводов Эйнштейна. Он показал необоснованность его исходного постулата - о стационарности, неизменности во времени Вселенной. Проанализировав мировые уравнения, Фридман пришел к заключению, что их решение ни при каких условиях не может быть однозначным и не может дать ответа на вопрос о форме Вселенной, ее конечности или бесконечности .

Исходя из противоположного постулата - о возможном изменении радиуса кривизны мирового пространства во времени, Фридман нашел нестационарные решения «мировых уравнений». В качестве примера таких решений он построил три возможные модели Вселенной. В двух из них радиус кривизны пространства монотонно растет, и Вселенная расширяется (в одной модели - из точки, в другой - начиная с некоторого конечного объема). Третья модель рисовала картину пульсирующей Вселенной с периодически меняющимся радиусом кривизны.

Модель Фридмана опирается на представления об изотропном, однородном и нестационарном состоянии Вселенной:

ØИзотропность указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек направлений, то есть ее свойства не зависят от направления.

ØОднородность Вселенной характеризует распределение вещества в ней. Эту равномерность распределения вещества можно обосновать, подсчитывая число галактик до данной видимой звездной величины. Согласно наблюдениям, плотность вещества в видимой нами части пространства в среднем одинакова.

ØНестационарность означает, что Вселенная не может находиться в статичном, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься

В современной космологии три этих утверждения называются космологическими постулатами. Совокупность этих постулатов является основополагающим космологическим принципом. Космологический принцип непосредственно вытекает из постулатов общей теории относительности. А.Фридман, на базе выдвинутых им постулатов, создал модель строения Вселенной, в которой все галактики удаляются друг от друга. Эта модель похожа на равномерно раздувающийся резиновый шар, все точки пространства которого удаляются друг от друга. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается, однако ни одну из них нельзя назвать центром расширения. Причем, чем больше расстояние между точками, тем быстрее они удаляются друг от друга. Сам Фридман рассматривал только одну модель строения Вселенной, в которой пространство изменяется по параболическому закону. То есть, вначале оно будет медленно расширяться, а затем, под влиянием сил гравитации - расширение сменится сжатием до первоначальных размеров. Его последователи показали, что существует как минимум три модели, для которых выполняются все три космологических постулата. Параболическая модель А.Фридмана - один из возможных вариантов. Несколько иное решение задачи нашел голландский астроном В. де Ситтер. Пространство Вселенной в его модели гиперболическое, то есть расширение Вселенной происходит с нарастающим ускорением. Скорость расширения настолько велика, что гравитационное воздействие не может препятствовать этому процессу. Он фактически предсказал расширение Вселенной. Третий вариант поведения Вселенной рассчитал бельгийский священник Ж. Леметр. В его модели Вселенная будет расширяться до бесконечности, однако темп расширения будет постоянно снижаться - эта зависимость носит логарифмический характер. В этом случае скорость расширения только-только достаточна, чтобы избежать сжатия до нуля. В первой модели пространство искривлено и замкнуто само на себя. Это сфера, поэтому размеры его конечны. Во второй модели пространство искривлено иначе, в форме гиперболического параболоида (или седла), пространство бесконечно. В третьей модели с критической скоростью расширения пространство плоское, и, следовательно, тоже бесконечное .

Первоначально эти гипотезы воспринимались как казус, в том числе и А. Эйнштейном. Однако, уже в 1926 году, произошло эпохальное событие в космологии, которое подтвердило правильность расчетов Фридмана - Де Ситтера - Леметра. Таким событием, оказавшим воздействие на построение всех существующих моделей Вселенной, явились работы американского астронома Эдвина П. Хаббла. В 1929 году при проведении наблюдений на крупнейшем в то время телескопе, он установил, что свет, идущий к Земле из далеких галактик, смещается в сторону длинноволновой части спектра. Это явление, получившее название «Эффект красного смещения» имеет в своей основе принцип, открытый известным физиком К. Доплером. Эффект Доплера говорит о том, что в спектре источника излучения, приближающегося к наблюдателю линии спектра смещены в коротковолновую (фиолетовую) сторону, в спектре источника, удаляющегося от наблюдателя спектральные линии смещены в красную (длинноволновую) сторону.

Эффект красного смещения свидетельствует об удалении галактик от наблюдателя. За исключением знаменитой Туманности Андромеды и нескольких, ближайших к нам звездных систем, все остальные галактики удаляются о нас. Более того, оказалось, что скорость разлета галактик не одинакова в различных частях Вселенной. Они удаляются от нас тем быстрее, чем дальше расположены. Иначе говоря, величина красного смещения оказалась пропорциональной расстоянию до источника излучения - такова строгая формулировка открытого закона Хаббла. Закономерная связь скорости удаления галактик с расстоянием до них описывается с помощью постоянной Хаббла (Н, км/сек на 1 мегапарсек расстояния).

V = Hr ,

где V - скорость удаления галактик, H - постоянная Хаббла, r - расстояние между ними.

Величина этой постоянной до сих пор окончательно не установлена. Различные ученые определяют ее в интервале 80 ± 17 км/ сек на каждый мегапарсек расстояния. Явление красного смещения получило объяснение в феномене «разбегания галактик». В связи с этим, на первый план выдвигаются проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста по продолжительности этого расширения .

Большинство современных космологов понимают это расширение, как расширение действительно всей мыслимой и существующей Вселенной... К сожалению, ранняя смерть не позволила гениальному теоретику Вселенной А. А. Фридману, идеи которого более полувека направляют мысль космологов, самому принять участие в дальнейшем революционном развитии процесса обновления космологической картины мира. Опыт истории развития знаний о мире подсказывает, однако, что и современная релятивистская космологическая картина мира, будучи результатом экстраполяции на все мыслимое «целое» знаний об ограниченной части Вселенной, неизбежно неточна. Поэтому можно думать, что она скорее отражает свойства ограниченной части Вселенной (которую и можно назвать Метагалактикой), причем, возможно, лишь один из этапов ее развития (что допускает релятивистская космология и что может проясниться с уточнением средней плотности материи в Метагалактике). В настоящее время, однако, в этом пункте картина мира остается неопределенной.

Глава 3. Современные исследования космологических моделей Вселенной

.1 Нобелевская премия за открытие ускоренного расширения Вселенной

Современная космология - это сложная, комплексная и быстроразвивающаяся система естественно - научных (астрономия, физика, химия и др.) и философских знаний о Вселенной в целом, основанная как на наблюдательных данных, так и на теоретических выводах, относящихся к охваченной астрономическими наблюдениями части вселенной.

Совсем недавно, в области современной космологии было сделано открытие, которое в будущем сможет изменить наши представления о происхождении и эволюции нашей Вселенной. Ученые, внесшие огромный вклад в развитие этого открытия, были награждены за свои труды Нобелевской премией.

Нобелевская премия была вручена американцу Солу Перлмуттеру, австралийцу Брайану Шмидту и американцу Адаму Рису за открытие ускоренного расширения Вселенной.

В 1998 году ученые обнаружили, что Вселенная расширяется с ускорением. Открытие было сделано благодаря изучению сверхновых типа Ia. Сверхновые - это звезды, которые время от времени ярко вспыхивают на небосклоне и затем довольно быстро тускнеют. Благодаря своим уникальным свойствам эти звезды используют в качестве маркеров для определения того, как космологические расстояния изменяются со временем. Вспышка сверхновой - это момент в жизни массивной звезды, когда она испытывает катастрофический взрыв. Сверхновые бывают разных типов в зависимости от конкретных обстоятельств, предшествующих катаклизму. При наблюдениях тип вспышки определяют по спектру и форме кривой блеска. Сверхновые, получившие обозначение Ia, возникают при термоядерном взрыве белого карлика, масса которого превысила пороговое значение ~1,4 массы Солнца, называемое пределом Чандрасекара. Пока масса белого карлика меньше порогового значения, сила гравитации звезды уравновешивается давлением вырожденного электронного газа. Но если в тесной двойной системе с соседней звезды на него перетекает вещество, то в определенный момент электронное давление оказывается недостаточным и звезда взрывается, а астрономы регистрируют еще одну вспышку сверхновой типа Ia. Поскольку пороговая масса и причина, по которой белый карлик взрывается, всегда одинаковы, такие сверхновые в максимуме блеска должны иметь одинаковую, причем весьма большую светимость и могут служить «стандартной свечой» для определения межгалактических расстояний. Если собрать данные по многим таким сверхновым и сравнить расстояния до них с красными смещениями галактик, в которых случались вспышки, то можно определить, как менялся в прошлом темп расширения Вселенной, и подобрать соответствующую космологическую модель .

Изучая удаленные от Земли сверхновые, ученые обнаружили, что они как минимум на четверть тусклее, чем предсказывает теория - это означает, что звезды расположены слишком далеко. Рассчитав, таким образом, параметры расширения Вселенной, ученые установили, что этот процесс происходит с ускорением.

3.2 Темная материя

Темная материя сродни обычному веществу в том смысле, что она способна собираться в сгустки (размером, скажем, с галактику или скопление галактик) и участвует в гравитационных взаимодействиях так же, как обычное вещество. Скорее всего, она состоит из новых, не открытых еще в земных условиях частиц.

Помимо космологических данных, в пользу существования темной материи служат измерения гравитационного поля в скоплениях галактик и в галактиках. Имеется несколько способов измерения гравитационного поля в скоплениях галактик, один из которых - гравитационное линзирование, проиллюстрированное на рис. 4.

Рис. 4. Гравитационное линзирование.

Гравитационное поле скопления искривляет лучи света, испущенные галактикой, находящейся за скоплением, т. е. гравитационное поле действует как линза. При этом иногда появляются несколько образов этой удаленной галактики; на левой половине рис. 7 они имеют голубой цвет. Искривление света зависит от распределения массы в скоплении, независимо от того, какие частицы эту массу создают. Восстановленное таким образом распределение массы показано на правой половине рис. 7 голубым цветом; видно, что оно сильно отличается от распределения светящегося вещества. Измеренные подобным образом массы скоплений галактик согласуются с тем, что темная материя вкладывает около 25% в полную плотность энергии во Вселенной. Напомним, что это же число получается из сравнения теории образования структур (галактик, скоплений) с наблюдениями .

Темная материя имеется и в галактиках. Это опять-таки следует из измерений гравитационного поля, теперь уже в галактиках и их окрестностях. Чем сильнее гравитационное поле, тем быстрее вращаются вокруг галактики звезды и облака газа, так что измерения скоростей вращения в зависимости от расстояния до центра галактики позволяют восстановить распределение массы в ней.

Что собой представляют частицы темной материи? Ясно, что эти частицы не должны распадаться на другие, более легкие частицы, иначе бы они распались за время существования Вселенной. Сам этот факт свидетельствует о том, что в природе действует новый, не открытый пока закон сохранения, запрещающий этим частицам распадаться. Аналогия здесь с законом сохранения электрического заряда: электрон - это легчайшая частица с электрическим зарядом, и именно поэтому он не распадается на более легкие частицы (например, нейтрино и фотоны). Далее, частицы темной материи чрезвычайно слабо взаимодействуют с нашим веществом, иначе они были бы уже обнаружены в земных экспериментах. Дальше начинается область гипотез. Наиболее правдоподобной (но далеко не единственной!) представляется гипотеза о том, что частицы темной материи в 100-1000 раз тяжелее протона, и что их взаимодействие с обычным веществом по интенсивности сравнимо с взаимодействием нейтрино. Именно в рамках этой гипотезы современная плотность темной материи находит простое объяснение: частицы темной материи интенсивно рождались и аннигилировали в очень ранней Вселенной при сверхвысоких температурах (порядка 1015 градусов), и часть их дожила до наших дней. При указанных параметрах этих частиц их современное количество во Вселенной получается как раз такое, какое нужно .

Можно ли ожидать открытия частиц темной материи в недалеком будущем в земных условиях? Поскольку мы сегодня не знаем природу этих частиц, ответить на этот вопрос вполне однозначно нельзя. Тем не менее, перспектива представляется весьма оптимистической.

Имеется несколько путей поиска частиц темной материи. Один из них связан с экспериментами на будущих ускорителях высокой энергии - коллайдерах. Если частицы темной материи действительно тяжелее протона в 100-1000 раз, то они будут рождаться в столкновениях обычных частиц, разогнанных на коллайдерах до высоких энергий (энергий, достигнутых на существующих коллайдерах, для этого не хватает). Ближайшие перспективы здесь связаны со строящимся в международном центре ЦЕРН под Женевой Большим адронным коллайдером (LHC), на котором будут получены встречные пучки протонов с энергией 7x7 Тераэлектронвольт. Нужно сказать, что согласно популярным сегодня гипотезам, частицы темной материи - это лишь один представитель нового семейства элементарных частиц, так что наряду с открытием частиц темной материи можно надеяться на обнаружение на ускорителях целого класса новых частиц и новых взаимодействий. Космология подсказывает, что известными сегодня «кирпичиками» мир элементарных частиц далеко не исчерпывается!

Другой путь состоит в регистрации частиц темной материи, которые летают вокруг нас. Их отнюдь не мало: при массе, равной 1000 масс протона, этих частиц здесь и сейчас должно быть 1000 штук в кубическом метре. Проблема в том, что они крайне слабо взаимодействуют с обычными частицами, вещество для них прозрачно. Тем не менее, частицы темной материи изредка сталкиваются с атомными ядрами, и эти столкновения можно надеяться зарегистрировать. Поиск в этом направлении ведется с помощью целого ряда высокочувствительных детекторов, помещенных глубоко под землей, где резко снижен фон от космических лучей.

Наконец, еще один путь связан с регистрацией продуктов аннигиляции частиц темной материи между собой. Эти частицы должны скапливаться в центре Земли и в центре Солнца (вещество для них практически прозрачно, и они способны проваливаться внутрь Земли или Солнца). Там они аннигилируют друг с другом, и при этом образуются другие частицы, в том числе нейтрино. Эти нейтрино свободно проходят сквозь толщу Земли или Солнца, и могут быть зарегистрированы специальными установками - нейтринными телескопами. Один из таких нейтринных телескопов расположен в глубине озера Байкал, другой (AMANDA) - глубоко во льду на Южном полюсе. Имеются и другие подходы к поиску частиц темной материи, например, поиск продуктов их аннигиляции в центральной области нашей Галактики. Какой из всех этих путей первым приведет к успеху, покажет время, но в любом случае открытие этих новых частиц и изучение их свойств станет важнейшим научным достижением. Эти частицы расскажут нам о свойствах Вселенной через 10-9 с (одна миллиардная секунды!) после Большого Взрыва, когда температура Вселенной составляла 1015 градусов, и частицы темной материи интенсивно взаимодействовали с космической плазмой.

3.3 Темная энергия

Темная энергия - гораздо более странная субстанция, чем темная материя. Начать с того, что она не собирается в сгустки, а равномерно «разлита» во Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик её столько же, сколько вне их. Самое необычное то, что темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию. Мы уже говорили, что современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Так вот, астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что сегодня (и в недалеком прошлом) Вселенная расширяется с ускорением: темп расширения растет со временем. В этом смысле и можно говорить об антигравитации: обычное гравитационное притяжение замедляло бы разбегание галактик, а в нашей Вселенной, получается, всё наоборот.

гелиоцентрический вселенная космологический гравитационный

Рис. 5. Иллюстрация темной энергии.

Такая картина, вообще говоря, не противоречит общей теории относительности, однако для этого темная энергия должна обладать специальным свойством - отрицательным давлением. Это резко отличает её от обычных форм материи. Не будет преувеличением сказать, что природа темной энергии - это главная загадка фундаментальной физики XXI века.

Один из кандидатов на роль темной энергии - вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, а это и означает отрицательное давление вакуума. Другой кандидат - новое сверхслабое поле, пронизывающее всю Вселенную; для него употребляют термин «квинтэссенция». Есть и другие кандидаты, но в любом случае темная энергия представляет собой что-то совершенно необычное.

Другой путь объяснения ускоренного расширения Вселенной состоит в том, чтобы предположить, что сами законы гравитации видоизменяются на космологических расстояниях и космологических временах. Такая гипотеза далеко не безобидна: попытки обобщения общей теории относительности в этом направлении сталкиваются с серьезными трудностями. По-видимому, если такое обобщение вообще возможно, то оно будет связано с представлением о существовании дополнительных размерностей пространства, помимо тех трех измерений, которые мы воспринимаем в повседневном опыте.

К сожалению, сейчас не видно путей прямого экспериментального исследования темной энергии в земных условиях. Это, конечно, не означает, что в будущем не может появиться новых блестящих идей в этом направлении, но сегодня надежды на прояснение природы темной энергии (или, более широко, причины ускоренного расширения Вселенной) связаны исключительно с астрономическими наблюдениями и с получением новых, более точных космологических данных. Нам предстоит узнать в деталях, как именно расширялась Вселенная на относительно позднем этапе её эволюции, и это, надо надеяться, позволит сделать выбор между различными гипотезами.

Заключение

В данной курсовой работе мной были рассмотрены космологические модели Вселенной. Проанализировав литературу по курсу общей физики и астрономии, я проследила историю космологических исследований, рассмотрела современные космологические модели Вселенной и подобрала иллюстративный материал к теме исследования. Доказав актуальность выбранной темы, подвела итоги по проделанной работе.

Литература

1.Берри А. Краткая история астрономии. Перевод С. Займовского. - М., Л.: ГИТЛ, 1946.

.Веселовский И.Н. Аристарх Самосский - Коперник античного мира. Историко-астрономические исследования. - М.: Наука, 1961. Вып.7, с.44.

.Ефремов Ю.Н., Павловская Е.Д. Определение эпохи наблюдения звездного каталога "Альмагеста" по собственным движениям звезд. -- Историко-астрономические исследования. М.: Наука, 1989, вып.18.

.И. Г. Колчинский, А. А. Корсунь, М. Г. Родригес. Астрономы. 2-е изд., Киев, 1986.

.Карпенков С.Х. Концепция современного естествознания: Учебник для вузов/М.: Академический проспект, 2001.

.Климишин И.А. Открытие Вселенной. - М.: Наука, 1987.

.Матвиевская Г.П. Ас-Суфи. - Историко-астрономические исследования. М.: Наука, 1983, вып.16, с.93--138.

.Паннекук А. История астрономии. - М.: Наука, 1966.

.С.Шапиро, С. Тьюкальски. Черные дыры, белые карлики и нейтронные звезды. Москва, Мир, 1985

.Самыгина С.И. «Концепции современного естествознания»/Ростов н/Д: «Феникс», 1997.

.Физика космоса: Маленькая энциклопедия. М.: Сов. энциклопедия, 1986.

.Хокинг С. Краткая история времени: От Большого Взрыва до черных дыр. М.: Мир, 1990.

.Э.В.Кононович, В.И.Мороз. Курс общей астрономии. Москва, 2002 год.

.Эйнштейн А. Эволюция физики/М.: Устойчивый мир, 2001.

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.

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

Классическая космологическая модель

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

Данная модель достаточно проста и понятна.

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

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

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

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

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

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

Однако в данной модели Вселенной было несколько недостатков.

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

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

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

Релятивистская модель Вселенной

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

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

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

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

Модель расширяющейся Вселенной

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

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

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

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

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

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

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

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

В третьей модели Фридмана пространство плоское и тоже бесконечное.

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

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

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

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

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

Мнение ученого

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

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

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

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