Первые теории и модели
Первые научные теории и первые модели Вселенной
Проект МОУ СОШ №29, Рыбинск, 2021
Началом переворота в космологии стала стационарная релятивистская космологическая модель Альберта Эйнштейна, которую он создал в 1917 г. В основе этой модели Вселенной лежит общая теория относительности. Эйнштейн отказался от утверждений об абсолютности и бесконечности пространства и времени, по сохранил принцип неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Вселенная, по мнению Эйнштейна, замкнута в пространстве, но при этом безгранична. Это означает, что если кто-то, например, посветит фонариком в одной части Вселенной, то свет должен вернуться с противоположной стороны. Согласно стационарной релятивистской модели, пространство однородно, материя распределена в нем равномерно, время бесконечно, а его течение не влияет на свойства Вселенной. То есть мир в представлении ниспровергателя прежней физики Эйнштейна совершенно статичен. По-видимому, великого ученого более привлекал гармоничный и устойчивый мир древних греков, нежели противоречивый и неустойчивый мир, каким его видит современная наука. В конце жизни Эйнштейн с сожалением говорил о том, что теория статичной Вселенной не имеет эмпирического подтверждения. В 1922 г. российский математик и физик Александр Александрович Фридман раскритиковал модель Вселенной Эйнштейна. Идеи Фридмана стали началом нестационарной релятивисткой космологии.
Что лежит в основе релятивисткой космологии?
1. Космологический принцип однородности и изотропности пространства означает, что во Вселенной не существует специально выделенных точек и направлений, а вещество распределено однородно. То есть все процессы во Вселенной протекают независимо от места (однородность) и направления (изотропность). Для наблюдателя это означает, что из любого места и в любом направлении Вселенная выглядит одинаково.
2. Релятивистский принцип взаимосвязи пространства и времени и их зависимости от материи утверждает искривленность пространства и замедление времени во всех частях Вселенной, которые описываются в общей теории относительности Эйнштейна.
3. Принцип конечной скорости любых физических процессов, эта скорость равна скорости света.
4. Принцип нестационарности Вселенной, согласно которому искривленное пространство не может быть постоянным, т. е. его кривизна меняется во времени.
2. Релятивистский принцип взаимосвязи пространства и времени и их зависимости от материи утверждает искривленность пространства и замедление времени во всех частях Вселенной, которые описываются в общей теории относительности Эйнштейна.
3. Принцип конечной скорости любых физических процессов, эта скорость равна скорости света.
4. Принцип нестационарности Вселенной, согласно которому искривленное пространство не может быть постоянным, т. е. его кривизна меняется во времени.
Первые три принципа объединяют космологические модели Эйнштейна и Фридмана, а четвертый задает новое понимание нестационарной, т. е. меняющейся Вселенной.
Фридман предложил три модели Вселенной. В первой модели пространство не искривлено, а Вселенная бесконечно расширяется из некоторой исходной точки. Во второй модели пространство обладает отрицательной кривизной, а Вселенная неограниченно расширяется. В третьей модели пространство имеет положительную кривизну, а Вселенная то расширяется, то сжимается.
В течение семи лет концепция Фридмана не получала никакого эмпирического подтверждения. Только в 1929 г. американский астроном Эдвин Пауэлл Хаббл обнаружил эффект "красного смещения" в удаленных галактиках. "Красное смещение" означает понижение частот электромагнитного излучения при удалении источника света от наблюдателя. То есть оказалось, что удаленные от нас галактики разбегаются, а Вселенная расширяется, что и создает эффект "красного смещения". Таким образом, идея нестационарной Вселенной получила опытное подтверждение.
Фридман предложил три модели Вселенной. В первой модели пространство не искривлено, а Вселенная бесконечно расширяется из некоторой исходной точки. Во второй модели пространство обладает отрицательной кривизной, а Вселенная неограниченно расширяется. В третьей модели пространство имеет положительную кривизну, а Вселенная то расширяется, то сжимается.
В течение семи лет концепция Фридмана не получала никакого эмпирического подтверждения. Только в 1929 г. американский астроном Эдвин Пауэлл Хаббл обнаружил эффект "красного смещения" в удаленных галактиках. "Красное смещение" означает понижение частот электромагнитного излучения при удалении источника света от наблюдателя. То есть оказалось, что удаленные от нас галактики разбегаются, а Вселенная расширяется, что и создает эффект "красного смещения". Таким образом, идея нестационарной Вселенной получила опытное подтверждение.
Большой взрыв
В 40-е гг. XX в. появились новые космологические модели, которые объясняли происхождение Вселенной, самая известная среди них – гипотеза Большого взрыва, в 1948 г. ее предложил американский физик русского происхождения Георгий Антонович Гамов. Согласно гипотезе Большого взрыва, Вселенная появилась в результате взрыва из первоначального состояния сингулярности, а дальше постепенно развивалась и усложнялась. Этапы развития называются эрами, первые из них были совсем короткими – всего несколько секунд, но, начиная с третьей эры, счет пошел на миллионы лет.
Для моделирования первых мгновений существования Вселенной, прояснения причин Большого взрыва и объяснения сингулярности в 1981 г. физики Алан Гут и Андрей Линде предложили инфляционную модель Вселенной. Она объясняет, как существовала Вселенная на самой ранней стадии Большого взрыва. Согласно инфляционной модели, первоначальное состояние Вселенной – это состояние вакуума, радиус Вселенной в этот момент меньше ядра атома. Вакуум – особая активная форма материи, он как бы "кипит", как вода в котле, постоянно рождая и уничтожая виртуальные частицы. В этом процессе возникает огромная сила космического отталкивания, которая приводит к раздуванию "пузырей" – зародышей будущих Вселенных. Каждый из "пузырей" – отдельный мир со своими физическими свойствами, а наша Вселенная – только один из "пузырей", появившихся из вакуумной пены. Считается, что энергия, которая выделилась при распаде вакуума, мгновенно нагрела нашу Вселенную, произошла своеобразная вспышка света. На этом стадия инфляции закончилась и началась эволюция горячей Вселенной, которую описывает модель Большого взрыва.
Несмотря на то, что гипотезы Большого взрыва и инфляционной Вселенной являются общепринятыми, они сталкиваются с серьезными теоретическими проблемами.
Самые большие сложности космологи испытывают с описанием состояния сингулярности.
По понятным причинам сингулярность невозможно наблюдать и, более того, ее невозможно объяснить математически, хотя введение этого состояния требуется уравнениями общей теории относительности Эйнштейна. Сингулярность иногда называют аномальным фактом. Проблема сингулярности имеет важное мировоззренческое значение, поскольку разрушает представление о вечном и бесконечном мире и подталкивает к выработке новой картины мира. Философски 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 сменяется сжатием, как раз и рассматривается как обрыв времени в будущем. Момент "начала" времени называется Большим взрывом, а момент "конца" времени – Великим стоком. Если есть рождение и смерть, то можно говорить о возрасте Вселенной. Рассчитать его точно космологи пока не могут, слишком много гипотетических величин: скорость расширения, ее равномерность, силы, которые действуют во Вселенной, и т.п.
Самые большие сложности космологи испытывают с описанием состояния сингулярности.
По понятным причинам сингулярность невозможно наблюдать и, более того, ее невозможно объяснить математически, хотя введение этого состояния требуется уравнениями общей теории относительности Эйнштейна. Сингулярность иногда называют аномальным фактом. Проблема сингулярности имеет важное мировоззренческое значение, поскольку разрушает представление о вечном и бесконечном мире и подталкивает к выработке новой картины мира. Философски 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 сменяется сжатием, как раз и рассматривается как обрыв времени в будущем. Момент "начала" времени называется Большим взрывом, а момент "конца" времени – Великим стоком. Если есть рождение и смерть, то можно говорить о возрасте Вселенной. Рассчитать его точно космологи пока не могут, слишком много гипотетических величин: скорость расширения, ее равномерность, силы, которые действуют во Вселенной, и т.п.
