Владимир Соломатин - Система гуманитарного и социально-экономического знания

Эйнштейн при работе над общей теорией относительности исходил из идеи стационарной Вселенной. Он отказался от ньютоновских постулатов абсолютности пространства и времени и обосновал идею, что метрика пространства и времени определяется распределением гравитационных масс во Вселенной. Эйнштейн считал, что пространство однородно и изотропно, а плотность материи во Вселенной распределена равномерно. По его мнению, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космическим отталкиванием. Ученый предполагал, что время существования Вселенной бесконечно, а само пространство – безгранично, но конечно.

Уравнения, полученные Эйнштейном, были изучены В. де Ситтером и А. Фридманом. Ситтер предложил иную модель Вселенной. Он рассмотрел модель пустой Вселенной, в которой два объекта расположены на столь большом расстоянии, что можно пренебречь притяжением между ними. Стационарность мира требовала нарушения равновесия – галактики должны начать удаляться друг от друга с ускорением. Фактически Ситтер предсказал расширение Вселенной.

В 1922 году российский ученый А. Фридман отбросил постулат стационарности Вселенной и сформулировал принятое в настоящее время решение космологической проблемы. Причем возможны три варианта уравнений Фридмана [84] Концепции современного естествознания / Под ред. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова . – С. 106. .

Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым, и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Если плотность меньше критической, пространство описывается геометрией Лобачевского и также неограниченно расширяется. И, наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, а расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния. По современным представлениям, критическая плотность ≈10 -26кг/м 3. В настоящее время для средней плотности получено значение ≈10 -28кг/м 3, что соответствует открытой модели.

В 1929 году американский астроном Э. Хаббл установил, что свет, идущий от далеких галактик, смещается в сторону красного конца спектра. Это явление, получившее название красного смещения, согласно принципу Доплера, свидетельствовало об удалении галактик от наблюдателя. Заметим, что в этом случае мы должны считать Вселенную не только безграничной, но и пространственно бесконечной. Но сменится ли расширение сжатием и когда это произойдет? Сейчас ответы на эти вопросы могут рассматриваться только как гипотезы.

Но если галактики разбегаются, то что было до их разбегания? На это отвечает теория «Большого взрыва», разработанная Г. Гамовым. Суть ее такова: 15–20 миллиардов лет назад все вещество Вселенной находилось в сверхплотном состоянии (r ≈ 10 -33см, ρ ≈ 10 93г/см 3, Т ≈ 10 34К) – состоянии «сингулярности». Затем произошел взрыв, в итоге каждая частица материи устремилась прочь от другой. Вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, протоны и нейтроны. Спустя 100 с после взрыва протоны и нейтроны начали объединяться в ядра легких элементов (в основном тяжелого водорода и гелия, в меньшем числе лития и бериллия). Через несколько часов после Большого взрыва закончилось образование ядер элементов. Далее (по истечении нескольких сотен тысяч и более лет) образовались атомы и молекулы, химические элементы, планеты.

В 1964 году А. Пензиас и Р. Вильсон открыли во Вселенной новое радиоизлучение, названное И. Шкловским реликтовым, которое представляет собой излучение горячей плазмы. Открытое в известной мере случайно (хотя теоретически оно было предсказано в 1948 году Гамовым) при изучении радиопомех, оно явилось доказательством справедливости теории «Большого взрыва». Однако и данная теория требует дальнейшего уточнения.

Несмотря на подтверждение модели Большого взрыва, разрабатываются и новые модели, разрешающие некоторые ее трудности. Среди них – гипотеза Альфвена (считающего, что электромагнитные силы играли более существенную роль в формировании Вселенной, чем гравитация).

Исторически сложились два основных подхода к пониманию пространства и времени. Первый подход – субстанциональный. Пространство и время понимаются в данном случае как нечто самостоятельно существующее наряду с материей, как ее «вместилища». При этом пространство – это «чистая протяженность», а время – «чистая длительность». Такой позиции придерживался Демокрит, однако свое всестороннее развитие эта концепция получила у Ньютона и в классической механике в целом.

Второй подход – реляционная концепция пространства и времени. Ее развивали Аристотель, Лейбниц и другие. Согласно этому подходу, пространство и время – не особые субстанциональные сущности, а формы существования материальных объектов: пространство выражает сосуществование объектов, а время – последовательность их состояний. Реляционный подход был воспринят релятивистской физикой, в которой пространство и время стали пониматься как общие формы координации материальных объектов и их состояний (пространство – совокупность отношений, выражающих координацию сосуществования объектов, их расположение друг относительно друга, а время – совокупность отношений, выражающих координацию сменяющих друг друга состояний, их последовательность и длительность).

В классической механике для описания механического движения необходимо выявление координат движущегося тела, что требует введения понятия «система отсчета». Существуют физические различные типы систем отсчета: инерциальные системы (движущиеся равномерно, прямолинейно относительно друг друга) и неинерциальные (движущиеся с ускорением). Принцип относительности Галилея утверждает физическую эквивалентность всех инерциальных систем отсчета: состояние равномерного, прямолинейного движения никак не сказывается на происходящих в системе механических процессах и никакими механическими экспериментами, проводимыми внутри системы, нельзя определить, покоится она или движется равномерно и прямолинейно.

Но существуют ли инерциальные системы в действительности? Поиски ответа на этот вопрос и привели к понятию абсолютного пространства, которое представлялось неподвижным.

Кроме того, пространственные и временны́е координаты входят в уравнения классической механики неравноправным образом: временная координата в движущейся системе зависит только от временной координаты в неподвижной и никак не связана с пространственными (время мыслится как существующее независимо от пространства). Основными метрическими характеристиками пространства и времени являются расстояние между двумя точками в пространстве (длина) и двумя событиями во времени (промежуток), которые также имеют в классической механике абсолютный характер. Итак, время и пространство в классической механике независимы друг от друга и вообще от любых свойств материальных объектов.