Системы мира

РЕФЕРАТ

по КОСМОЛОГИИ

Подготовил студент ФБЖ:

Курчатов Илья

Оглавление

Системы мира

Мир по Ньютону

Расширяющаяся вселенная

Отголоски начала

Большой взрыв

Микрофизика

Новые подходы

Неортодоксальные взгляды

Будущее Вселенной

Список литературы

Системы мира

Путь человечества к познанию окружающего мира длился тысяче­летия. Это был путь временного торжества ложных истин, путь кост­ров и отречений. Но в то же время это была дорога величайших от­крытий, предвидений и прозрений, дорога торжества человеческого гения. Вполне понятно стремление чело­века во все времена создать систему окружающего мира. Разработка таких систем началась в глубокой древности и продолжается по сей день. Если отвлечься от наивных мифологических систем, то, бесспор­но, первой внутренне логичной и всесторонне продуманной стала си­стема мира Аристотеля. Недаром усиленная и подкрепленная впослед­ствии трудами греческого астронома Птолемея, она просуществовала почти две тысячи лет.

Согласно этой системе Земля — центр Вселенной, а так как все тяжелые частицы стремятся к цент­ру, то именно здесь и образовалось твердое тело нашей планеты. Легкие элементы — воздух и огонь — под­нимаются в высокие слои, там они загораются, и тогда люди видят ко­меты и падающие звезды. Вечно движение небесных тел по сферам, окружающим неподвижную Землю, а Вселенная сферична и конечна.

Стоит заметить, что за несколько столетий до Аристотеля знаменитый математик Пифагор Самосский вы­сказал мысль о том, что Земля имеет шарообразную форму и обращается вокруг собственной оси. Более того, он считал, что и Солнце, и Земля, и Луна вращаются вокруг некото­рого общего гипотетического цент­ра, который он назвал центральным огнем. Это движение планет и Солн­ца создает гармонию небесных сфер. Ученики Пифагора утверждали, что только их великий учитель был спо­собен ощущать эту гармонию.

Нетрудно заметить, что в миро­ощущении Пифагора просматрива­ются основные принципы гелиоцент­рической системы мира. И все же созданная легендарным Пифагором картина мира просуществовала не­долго. На смену ей пришла геоцент­рическая система Аристотеля.  

Не следует думать, что у древних идея Аристотеля не вызывала ника­ких возражений. Она, к примеру, не могла объяс­нить очевидных изменений яркости планет при движении их по небесно­му своду. А ведь как легко это можно было сделать, предположив, что пла­неты то приближаются к Земле, то удаляются от нее.

Самый смелый шаг был сделан греческим математиком Аристархом Самосским вскоре после смерти Аристотеля. Он первым из греческих мыслителей расположил Солнце в центре мира, а Землю заставил вра­щаться вокруг Солнца. Этот факт доподлинно установлен, поскольку Архимед упоминает о нем в своем труде “Исчисление песчинок”. Гипотеза Аристарха Самосского не нашла единомышленников, по­скольку астрономия в то время обла­дала небольшим количеством на­блюдательных фактов. Потребова­лось более полутора тысяч лет, чтобы она возродилась в знаменитой книге Коперника “О вращениях небесных сфер”.

По всей видимости, начиная с 1515 года Коперник систематически разра­батывал новую систему мира и одно­временно наблюдал движение небес­ных светил. Очень кратко основные положения, тезисы новой теории он изложил на двенадцати страницах рукописи, которую сейчас принято называть “Малым комментарием”. Сам Коперник называл эти тезисы аксиомами. Первые аксиомы гласили, что “не существует одного центра для всех небесных орбит или сфер, ...центр Земли не является центром мира. Все сферы движутся вокруг Солнца. Так что около Солнца находится центр мира”.

В “Малом комментарии” нет каких-либо математических выкладок. Это была философская квинтэссенция последующего гениального произве­дения “О вращении небесных сфер”.

Джордано Бруно свои взгляды изложил в трех книгах, написанных в форме диало­гов: “Пир на пепле”, “О причине начала и едином” и “О бесконечности вселенной и мирах”. Именно здесь он и сформулировал новое научное миропонимание. Нельзя считать, что Бруно лишь развил учение Коперника или обосновал его философски. Бру­но — творец нового научного миро­воззрения. Гениальное предвидение о бесконечности миров, “которые носятся в эфирном океане, подобно нашему миру”, возрождение атоми­стической теории, создание новой картины космоса выдвигают Джорда­но Бруно в первые ряды величайших мыслителей. Казнь Бруно была пирровой побе­дой церкви. Учение Аристотеля аго­низировало, и эта агония была не­обратимой. Но триумф идей Копер­ника бесспорно не состоялся бы еще многие годы, если бы вскоре после гибели Бруно в Европе не появились телескопы. Именно наблюдательные данные великого Галилея, его точная и последовательная интерпретация этих данных с позиций коперникианства, несмотря на драму отречения, нанесли окончательный удар по си­стеме мира Аристотеля. Одним из творцов астрономии нового времени был также И. Кеплер, открывший законы движения планет по эллипти­ческим орбитам. Только благодаря работам Галилея и Кеплера система мира Коперника стала одним из крае­угольных камней фундамента науки.

Мир по Ньютону

В 1642 году умер великий Галилей. В этом же году 25 декабря (по старо­му стилю) километрах в десяти южнее городка Грэнтэм, в деревне Вульсторп, недалеко от восточного побережья Англии родился Исаак Ньютон. И до Ньютона многие ученые говорили о силе притяжения между различными телами. Еще Коперник пытался объяснить шарообразную форму Земли взаимным притяжени­ем слагающих ее частиц.

Романтический, а порой и ударяв­шийся в мистику Кеплер писал: “Если бы Земля не мешала притягивать воды, то вся морская вода притяну­лась бы к Луне и улетела”.

В знаменитой книге Ньютона “Математические начала натуральной философии” дан последовательный, общий принцип решения любых задач физики и астрономии. Именно после выхода в свет этой книги и возникла классическая физика.

Система мира Ньютона владела умами людей более двухсот лет, и поэтому она не могла не оказать самого серьезного влияния на мышление и мировоззрение мно­гих поколений.

Итак, прежде всего Вселенная по Ньютону бесконечна, и, кроме того, выражаясь языком современного фи­зика, она стационарна, вечна. Дви­жение тел в ней описывается закона­ми Ньютона. Не следует забывать о том, что Ньютон был человеком глу­боко религиозным. Сама идея вечно­сти Вселенной с эстетической и фило­софской точек зрения весьма привле­кательна, и многие крупные ученые соглашались платить весьма большую цену, чтобы сохранить стационарную, вечную Все­ленную.

Гениальный Ньютон, конечно же, не мог не ставить перед собой вопро­са о происхождении мира. Но для него решение этого вопроса было простым. В своих “Началах” он писал:

“Изящнейшее соединение Солнца, планет и комет не могло произойти иначе, как по намерению и по власти могущественного и премудрого существа”. Ньютон отстаивал акт пер­вичного сотворения и полагал, что ему удалось лишь открыть основные принципы, управляющие миром.

Ньютон не мог не понимать, что открытые им законы должны приво­дить к некоторым следствиям, не укладывающимся в наблюдаемую астрономами картину мира. Напри­мер, он сам, затрагивая космологи­ческие вопросы, приходил к мнению, что в бесконечном пространстве должны быть лишь бесчисленные подобные друг другу сферы. В силу закона всемирного тяготения они должны двигаться с бесконечной скоростью.

Разнообразие небесных объектов, хорошо известное уже в XVII веке, ученый объяснял с теологических позиций. Философия Ньютона, его система мира долгое время устраи­вала всех. Это был тот редкий случай, когда научная теория (именно теория, система, а не догма) не вызывала возражений со стороны церкви: веч­ный и безграничный мир был создан Творцом. Правда, одна неприятность со Все­ленной Ньютона обнаружилась до­вольно скоро. Эта неприятность назы­вается парадоксом Ольберса. Бременский врач с большой практикой и в то же время астроном-любитель Г.Ольберс (1758—1840) среди про­фессиональных астрономов своего времени пользовался непререкае­мым авторитетом.

Суть парадокса Ольберса состоит в следующем. Пусть мы живем в бес­конечной Вселенной Ньютона. Попробуем провести мысленный эксперимент. Окружим нашу Землю воображаемой сферой достаточно большого радиуса. Тогда внутри этой сферы окажется какое-то число звезд (для нас сейчас абсолют­но неважно, какое именно), которые дадут определенный вклад в яркость нашей сферы. Удвоим теперь радиус сферы. Если предположить, что все звезды одина­ковы по своей яркости и равномерно распределены в пространстве, при операции удвоения радиуса долж­на увеличиться и яркость ночного неба. Действительно, хотя при такой опе­рации яркость самых далеких звезд уменьшится в 4 раза, так как она зависит от расстояния как 1/г2, но количество звезд внутри сферы пря­мо пропорционально ее объему, то есть г , и поэтому общая яркость ноч­ного неба возрастет. В конце концов мы получим такую картину: ночное небо должно быть таким же ярким, как наше Солнце! Сам Ольберс пытался спасти поло­жение, “вводя” в космическое прост­ранство поглощающую свет среду, но на самом деле в этом случае погло­щающий газ должен был бы нагре­ваться до высокой температуры и излучал бы почти столько же энергии, сколько поглощал. Парадокс оставал­ся неразрешимым.

Расширяющаяся вселенная

Заглянуть глубже в тайны миро­здания, чем это сделал Ньютон, дол­гое время казалось невозможным. Лишь в начале нашего века в 1915 го­ду появилась работа А. Эйнштейна, которая в конце концов заставила пересмотреть систему мира Ньютона, и, заметим, самым радикальным образом.

Знаменитые уравнения Эйнштей­на — основа общей теории относительности — были опубликованы в 1916 году. Они подарили нам новый мир, существенно отличающийся от мира Ньютона. Как образно сказал один из крупнейших современных физиков, Дж. Уилер, в общей теории относительности пространство “гово­рит” материи, как ей двигаться, а материя “указывает” пространству, как ему искривляться.

Общая Теория Относительности (ОТО) име­ет дело с четырехмерным простран­ством, где одной из координат является время. Трудность состоит в том, что четы­рехмерный мир нельзя представить себе наглядно. Для нас число “нагляд­ных” измерений не превышает трех. Четырехмерный мир Эйнштейна, конечно же, не абстракция. Дело в том, что мы живем геометрически в трехмерном пространстве, но все физические процессы в этом мире связаны со временем, а сам ход вре­мени для наблюдателя зависит от свойств пространства, от скорости процессов. Поэтому время связано в мире Эйнштейна с геометрией, а геометрия со временем. Неда­ром Уилер предложил называть теорию Эйнштейна геометродинамикой.

Геометродинамика, ОТО предска­зывает удивительные явления, кото­рые должны происходить в нашем ми­ре: изменение темпа течения време­ни, искривление лучей света в силь­ных полях тяготения и многое другое.

Итак, пространство не абсолютно, оно динамично, оно живет. И самым важным свойством уравнений Эйн­штейна, по крайней мере для космо­логии, является то, что они позво­ляют представить себе, как жила, живет и будет жить в дальнейшем наша Вселенная. Нельзя не подчеркнуть, что Эйнштейн на первых порах намеренно искал такое решение своих уравнений, которое “давало” бы однородную и статичную Вселенную. То есть сначала и Эйн­штейн, так же как и Ньютон, оказался в плену идеи, если так можно выра­зиться, “статичной вечности”.

Первым человеком, которому уда­лось на основании уравнений Эйн­штейна получить принципиально но­вые выводы о структуре нашей Все­ленной, был советский математик А. Фридман.

Он выполнил интересные работы в области метеорологии и гидромеханики. Но имя свое ученый обессмертил работами по космоло­гии. Первая статья 1922 года, где он нашел новое космологическое реше­ние уравнений ОТО, говорила о том, что наш мир, наша Вселенная неста­ционарна. Она замкнута и непрерыв­но расширяется. Эйнштейн отреаги­ровал на эту статью отрицательно, немедленно опубликовав “Замеча­ние”, в котором содержалось опро­вержение выводов Фридмана. Но великий Эйнштейн оказался неправ. Он признал это в 1923 году: “Я счи­таю результаты г. Фридмана правиль­ными и проливающими новый свет...”

Сегодня в научной литературе прочно утвердился термин “Вселен­ные Фридмана”. Что же это такое?

Фридман нашел два решения урав­нений Эйнштейна, каждое из которых зависит от средней плотности мате­рии во Вселенной. Если средняя плот­ность ρ меньше некоторой величины ρкр или равна ей, то Вселенная может быть пространственно как бесконеч­ной, так и конечной, но расширение ее будет продолжаться всегда. Если же значение средней плотности боль­ше критической (ρ>ρкр), неизбежно получается замкнутая (но безгранич­ная!) Вселенная. Силы гравитации в этом случае должны в конце концов остановить расширение Вселенной, и она рано или поздно начнет сжимать­ся.

Попробуем пояснить, как совмеща­ются понятия конечности и безгра­ничности. Наглядный пример здесь достаточно прост. Возьмем поверх­ность резинового надувного шарика. Она конечна, как бы мы этот шар ни раздували. Но в то же время она и безгранична, так как, путешествуя по этой поверхности, мы никогда не доберемся до границы. В крайнем случае вернемся туда, откуда начали свой путь.

Итак, на сцене появились динами­ческие модели Вселенной. И сразу же возникло множество вопросов. Ведь модели Фридмана — его Все­ленные — построены пером теорети­ка (да и вообще все, что мы до сих пор обсуждали, было гениальными теоретическими построениями), и только данные наблюдательной астрономии могли подтвердить или опровергнуть эти модели — модели расширяющейся Вселенной. О чем же они свидетельствовали в то время?

Еще в 1914—1917 годах астрономы выяснили поразительный факт, кото­рому, к сожалению, сначала не прида­ли значения: большинство далеких галактик разбегаются от нашей Галактики с довольно большими скоростя­ми, причем самые далекие из них с самыми большими скоростями.

На последнее обстоятельство обра­тил внимание еще в 1919 году амери­канский астроном X. Шепли, но не сумел объяснить его (“Вселенные Фридмана” еще не были созданы!). И лишь в 1929 году американский астроном Э. Хаббл вывел свой зна­менитый закон, гласящий, что ско­рость разлета галактик, прямо про­порциональна расстоянию от нашей Галактики. V == Нг, где V — скорость галактики, г — расстояние, Н — так называемая постоянная Хаббла. За­кон Хаббла — один из краеугольных камней современной космологии.

Астрономы наблюдали спектры далеких туманностей и установили, что хорошо известные линии, напри­мер, ионизированного кальция или водорода, находятся “не на своих местах”, сдвинуты далеко в красную сторону спектра. Так был обнаружен факт разлета галактик, и вскоре в науке появился знаменитый термин “красное смещение”. Закон Хаббла был установлен в 1929 году, и модели расширяющейся Вселенной получи­ли таким образом первое надеж­ное экспериментальное подтвержде­ние.