Основные представления современной космологии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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. Даже И. Кант, пробивший серьезную брешь в религиозном толковании предмета космологии, полностью не освободился от представления об активности сверхъестественного фактора — Творца материи. В XX в. ситуация изменилась кардинально: был достигнут существенный прогресс в научном понимании природы и эволюции Вселенной как целого.

В наши дни 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. 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Современная космология - это сложная, комплексная и быстро развивающаяся 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. Теоретико-методологический фундамент космологии составляют современные физические теории, а также философские принципы и представления. Глубинная связь космологии и физики базируется на том, что космологи в современной Вселенной ищут «следы» тех процессов, которые происходили в момент рождения Вселенной. А такими «следами» прежде всего выступают фундаментальные свойства физического мира — три пространственных измерения и одно временное; четыре фундаментальных взаимодействия; преобладание частиц над античастицами и др. Эмпирические данные, представленные главным образом внегалактической астрономией, свидетельствуют о том, что мы живем в эволюционирующей, расширяющейся, нестационарной Вселенной.

 

Космология — наука, изучающая строение и эволюцию Вселенной.

Вселенная — весь существующий материальный мир.

Метагалактика — упорядоченная  система галактик.

В основе космологических  моделей Вселенной лежат определённые мировоззренческие предпосылки, а  сами эти модели имеют большое  мировоззренческое значение.

В классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звёзды и т.п. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.

Классическая ньютоновская космология принимала следующие  постулаты:

·   Вселенная — всесуществующая. Космология познаёт мир таким, как он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания.

·  Пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов.

·  Пространство и время бесконечны.

·  Пространство и время однородны и изотропны.

·  Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.

В ньютоновской космологии возникали два парадокса, связанные  с постулатом бесконечности Вселенной:

1.  Гравитационный: если Вселенная бесконечна и в ней существует бесконечное количество небесных тел, то сила тяготения будет бесконечно большая, и Вселенная должна сколлапсировать, а не существовать вечно.

2.  Фотометрический: если существует бесконечное количество небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, чего не наблюдается.

Эти парадоксы, не разрешимые в рамках ньютоновской космологии, разрешает современная космология, в границах которой было введено представление о расширяющейся, эволюционирующей Вселенной.

Современных космологических  моделей Вселенной достаточно много, но все они основываются на общей  теории относительности А. Эйнштейна.

Теория относительности - физическая теория, основные закономерности которой были установлены А. Эйнштейном в 1905 г. (частная, или специальная, теория относительности) и в 1916 г. (общая теория относительности).

Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной расширяющейся Вселенной, созданной самим Эйнштейном в 1916 году. В её основе лежат два предположения:

1.  Свойства Вселенной одинаковы во всех её точках и направлениях;

2.  Наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии).

Важным пунктом данной модели является её нестационарность. Это определяется двумя постулатами  теории относительности:

1. Принципом относительности,  гласящим, что во всех инерционных  системах все законы сохраняются  вне зависимости от того, с  какими скоростями, равномерно и  прямолинейно движутся эти системы  друг относительно друга;

2. Экспериментально подтверждённым постоянством скорости света.

Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом Взрыве, происшедшим где-то примерно 12-18 млрд. лет назад.

Как уже было сказано, современных космологических моделей  Вселенной достаточно много и все они основываются на теории относительности Эйнштейна (т.к. уравнение Эйнштейна имеет много решений). Однако однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели в настоящее время не представляется возможным. Но считается научно установленным фактом то, что Вселенная расширяется.

Глубина и богатство  содержания общей теории относительности  проявляются в наибольшей мере, когда  теория гравитации Эйнштейна используется для изучения явлений космических  масштабов. В этом смысле общая теория относительности в громадной степени стимулировала развитие космологии.

Понятие релятивистской космологии. Поскольку именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях, а значит, динамику космической материи  в масштабах Вселенной, то теоретическим ядром космологии выступает теория тяготения, а современной космологии — релятивистская теория тяготения. Поэтому современную космологию называют релятивистской.

Ньютоновская физика рассматривает  пространство и время как «арену», на которой разыгрываются физические процессы; она не связывает воедино пространство и время. Согласно общей теории относительности (см. 9.2), распределение и движение материи изменяют геометрические свойства пространства-времени и в то же время сами зависят от них; гравитационное поле проявляется как искривление пространства-времени (чем значительнее кривизна пространства-времени, тем сильнее гравитационное поле).

Первым релятивистскую космологическую  модель попытался построить А. Эйнштейн. В соответствии с методологическими  установками классической астрономии о стационарности Вселенной, он исходил из предположения о неизменности свойств Вселенной как целого во времени (радиус кривизны пространства он считал постоянным). Эйнштейн даже видоизменил общую теорию относительности, чтобы она удовлетворяла этому требованию, и ввел дополнительную космическую силу отталкивания, которая должна уравновесить взаимное притяжение звезд.

Вселенная Эйнштейна пространственно  конечна; она имеет конечные размеры, но не имеет границ! В этой модели пространственный объем Вселенной с равномерно распределенными в нем галактиками конечен; но границ у этого пространства нет. Оно не распространено бесконечно во все стороны, а замыкается само на себя. Как и на поверхности сферы, в нем можно совершать «кругосветные» путешествия: обитатель такой вселенной мог бы, послав в каком-либо направлении (световой или радио) сигнал, со временем обнаружить, что этот сигнал вернулся к нему с противоположной стороны, обойдя всю Вселенную.

Как и многие другие абстрактные  понятия современной физики и астрономии, идея замкнутой, конечной, но неограниченной вселенной трудно представима в наглядных образах. Поэтому часто спрашивают, что же находится «снаружи» конечной вселенной. Дело в том, что этот вопрос не имеет смысла для трехмерных существ, т.е. в пространственно-временной метрике нашего мира. Как не имеет смысла аналогичный вопрос, что находится «вне» поверхности сферы, для плоских существ, вынужденных постоянно жить на сферической поверхности. В такой вселенной просто нет понятия «снаружи». Ведь различение «снаружи» и «внутри» предполагает некоторую границу, которой на самом деле нет, и каждая точка в ней эквивалентна любой другой — ни края, ни центра здесь нет.

Нестационарная релятивистская космология. С критикой предложенной Эйнштейном космологической модели выступил наш отечественный выдающийся математик и физик-теоретик А. А. Фридман. Именно А.А. Фридман, опубликовавший свою работу в 1922 г., впервые сделал из общей теории относительности космологические выводы, имеющие поистине революционное значение: он заложил основы нестационарной релятивистской космологии.

Фридман показал, что теоретическая  модель Эйнштейна является лишь частным  решением гравитационных уравнений  для однородных и изотропных моделей, а в общем случае решения зависят от времени. Кроме того, они не могут быть однозначными и не могут 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» Эйнштейна.

Встретив решения Фридмана с  большим недоверием, Эйнштейн затем  убедился в его правоте и согласился с критикой молодого физика. Нестационарные решения уравнений Эйнштейна, основанные на постулатах однородности и изотропии, называются фридмановскими космологическими моделями. 

А. А. Фридман показал, что решения  уравнений общей теории относительности  для Вселенной позволяют построить три возможные модели Вселенной. В двух из них радиус кривизны пространства монотонно растет и Вселенная бесконечно расширяется (в одной модели — из точки; в другой — начиная с некоторого конечного объема). Третья модель рисовала картину пульсирующей Вселенной с периодически изменяющимся радиусом кривизны. Выбор моделей зависит от средней плотности вещества во Вселенной.

Модели Вселенной Фридмана уже  вскоре получили удивительно точное подтверждение в непосредственных наблюдениях движений далеких галактик — в эффекте «красного смещения», который свидетельствует о взаимном удалении всех достаточно далеких друг от друга галактик. Таким образом, в настоящее время наблюдается расширение Вселенной. Характер дальнейшей ее эволюции зависит от средней плотности вещества во Вселенной и его отношения с критической плотностью ρ = ЗH2/8πG. Если средняя плотность окажется больше критической, то расширение Вселенной через некоторое время прекратится и сменится сжатием. Если средняя плотность меньше критической, то расширение будет продолжаться неограниченно долго.

В настоящее время критическая  плотность определяется величиной 10-29 г/см3. А средняя плотность  вещества во Вселенной по современным  представлениям оценивается 3 • 10-31 г/см3. Иначе говоря, Вселенная будет сколь угодно долго расширяться. Но определение средней плотности вещества во Вселенной пока ненадежно. Во Вселенной могут присутствовать не обнаруженные еще виды материи, дающие свой вклад в среднюю плотность. И тогда на «вооружение» придется брать «закрытую» модель Вселенной, в которой предполагается, что расширение в будущем сменится сжатием.

Космологический постулат. В современной  космологии представление о нестационарности Вселенной удивительным образом  сочетается с представлением об однородности Вселенной. Достаточно неожиданно то, что Вселенная оказывается однородной в самых различных смыслах.

Во-первых, Вселенная однородна  в том смысле, что структурные  элементы далеких звезд и галактик, физические законы, которым они подчиняются, и физические константы, по-видимому, с большой степенью точности одинаковы повсюду, т.е. те же, что и в нашей области Вселенной, включая Землю. Типичная галактика, находящаяся в сотне миллионов световых лет от нас, выглядит в основном также, как наша. Спектры атомов, следовательно, законы химии и атомной физики там идентичны известным на Земле. Это обстоятельство позволяет уверенно распространять открытые в земной лаборатории законы физики на более широкие области Вселенной.

Во-вторых, говоря о космической  однородности Вселенной, имеют в виду также однородность распределения вещества. Вещество Вселенной «разбросано» в виде сгустков — оно собрано в звезды, которые в свою очередь группируются в скопления, в галактики, в скопления галактик. В настоящее время распространено убеждение, подкрепленное наблюдениями, что подобное объединение останавливается на скоплениях галактик, а более крупномасштабное распределение вещества одинаково во всей Вселенной. Это распределение однородно (одинаково во всех областях) и изотропно (одинаково во всех направлениях). Предположение о том, что Вселенная в крупных масштабах однородна, разделяют большинство (хотя и не все) космологи; оно известно как космологический постулат.

Представление об однородности Вселенной  еще раз доказывает, что Земля  не занимает во Вселенной сколько-нибудь привилегированного положения. Даже после Коперника у астрономов время от времени возникали допущения, что с Землей, Солнцем, нашей Галактикой может быть связана какая-нибудь исключительность. Но сейчас физические условия в ближайших к нам областях Вселенной не рассматриваются как особые; доказано, что они характерны для любой области во Вселенной. Конечно, Земля, Солнце и Галактика кажутся нам, людям, важными и исключительными, но для Вселенной в целом они такими не являются.