Ольга Стрельник - Концепции современного естествознания: конспект лекций

Классические космологические представления, сутью которых было утверждение абсолютности и бесконечности пространства и времени, а также неизменности и вечности Вселенной, сталкивались с двумя неразрешимыми парадоксами – гравитационным и фотометрическим. Гравитационный парадокс заключался в противоречии между исходными постулатами о бесконечности Вселенной и ее вечности. Так, если предположить бесконечность мира, то необходимо также признать и бесконечность действующих в нем сил тяготения. Бесконечность сил тяготения между небесными телами должна была бы привести к коллапсу, т. е. Вселенная не могла бы существовать вечно, а это противоречит постулату о ее вечности. Фотометрический парадокс также вытекает из постулата бесконечности Вселенной. Если Вселенная бесконечна, то в ней должно существовать бесконечное число небесных тел, а значит, светимость неба также должна быть бесконечной, однако этого не происходит.

Парадоксы классической науки разрешаются в современной релятивистской космологии.

Началом революции в астрономии считается создание в 1917 г. А. Эйнштейном стационарной релятивистской космологической модели. В ее основу положена релятивистская теория тяготения, обоснованием которой служит общая теория относительности (3.2). А. 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 А. Эйнштейна, зависят от распределения в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но при этом замкнута в пространстве. Сигнал, пущенный наблюдателем во Вселенной, вернется к нему с противоположной стороны. Согласно стационарной релятивистской модели пространство однородно и изотропно (3.2), материя распределена в нем равномерно, время бесконечно, а его течение не влияет на свойства Вселенной. Таким образом, несмотря на новизну и даже революционность идей, А. Эйнштейн в своей космологической теории ориентировался на привычную классическую мировоззренческую установку статичности мира: А. Эйнштейна более привлекал гармоничный и устойчивый мир, нежели мир противоречивый и неустойчивый. В конце жизни великий ученый с сожалением говорил о том, что теория статичной Вселенной не имеет эмпирического подтверждения.

В 1922 г. российский математик и физик А. Фридман выступил с критикой теории А. Эйнштейна. Его идеи стали началом нестационарной релятивисткой космологии. Космологическая концепция А. Фридмана основывается на нескольких принципах.

1. Космологический принцип однородности и изотропности пространства. Изотропность означает, что во Вселенной не существует выделенных точек и направлений. Однородность характеризует распределение вещества во Вселенной. Космологический постулат имеет сильный и слабый варианты. Слабый вариант предполагает независимость процессов, протекающих во Вселенной, от направления (изотропность) и места (однородность). Сильный вариант космологического принципа предполагает независимость (инвариантность преобразований) процессов не только от направления и места, но и от времени. Это значит, что Вселенная выглядит одинаково из любого места, в любом направлении и в любой момент времени. Этот принцип получил название совершенного космологического принципа.

2. Релятивистский принцип взаимосвязи пространства и времени и их зависимости от материи. Пространственно-временная метрика Вселенной задается гравитационными полями, признаются также искривленность пространства и замедление времени во всех частях Метагалактики. Пространственно-временная метрика описывается уравнениями общей теории относительности.

3. Принцип конечной скорости протекания любыгх физических процессов.

4. Принцип нестационарности Вселенной, поначалу основанный только на математических расчетах, согласно которым искривленное пространство не может быть стационарным, его кривизна должна меняться во времени.

Все эти принципы дают основание переносить данные, полученные в одной части Вселенной, на все остальные ее части.

А. фридман предложил три модели Вселенной. В первой рассматривается случай средней плотности вещества и неискривленности пространства. В такой ситуации Вселенная должна бесконечно расширяться из некоторой исходной точки. Во второй модели предполагалась плотность вещества меньше критической. В этом случае пространство обладает отрицательной кривизной, а Вселенная также должна неограниченно расширяться из начальной точки. В третьей модели рассматривался случай плотности вещества выше критической. В этой ситуации пространство должно иметь положительную кривизну, а Вселенная периодически расширяться и сжиматься.

Концепция А. фридмана некоторое время не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. физик Э. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» в спектрах удаленных галактик. «Красное смещение» означает понижение частот электромагнитного излучения при удалении источника света от наблюдателя. Т. е. если источник света удаляется от нас, то воспринимаемая частота излучений уменьшается, а длины волн увеличиваются, линии видимого спектра смещаются в сторону более длинных красных волн. Оказалось, что «красное смещение» пропорционально расстоянию до источника света. Исследования Э. Хаб-бла подтвердили, что удаленные от нас галактики разбегаются, т. е. Вселенная находится в состоянии расширения, а значит, нестационарна. Другим важным экспериментальным свидетельством в пользу гипотезы расширяющейся Вселенной стало открытие реликтового излучения – слабого радиоизлучения, свойства которого являются в точности такими, какими они должны были быть на этапе горячей, взрывной Вселенной.

В 1927 г. бельгийский ученый Ж. Леметр предложил понятие сингулярности как исходное состояние Вселенной. Ж. Леметр предположил, что первоначальный радиус Вселенной равнялся 10-12см, а ее плотность– 1096г/см3, т. е. в начальном состоянии Вселенная должна представлять собой микрообьект, по размерам близкий к электрону. В 1965 г. С. Хокинг математически обосновал необходимость состояния сингулярности в любой модели расширяющейся Вселенной.

Представление о развитии Вселенной привело к постановке проблемы начала эволюции (рождения) Вселенной и ее конца (смерти). Вселенная развивается из исходного сингулярного состояния, радиус которого бесконечно мал, а плотность материи бесконечно велика, проходит различные этапы своего развития, а затем умирает. Состояние сингулярности можно трактовать как обрыв времени в прошлом. По-видимому, такой обрыв времени следует предположить и в будущем. В моделях пульсирующей Вселенной та точка, в которой расширение сменится сжатием, рассматривается как обрыв времени в будущем. Момент «начала» времени называется Большим Взрывом. Момент «конца» времени был назван Ф. Типлером Великим Стоком.