Проблемы пространства-времени. Теория относительности
Естественные науки часто связаны с изменением длин и длительностей, т. е. пространственно-временными характеристиками объектов.
Понятие пространства возникло в науке на основе наблюдения и практического использования объектов, их объема и протяженности. Понятие времени основано на восприятии человеком смены событий, состояний предметов и круговорота различных процессов.
Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длительный путь своего становления и развития. Отметим наиболее значимые концепции пространства и времени:
· обыденные представления о пространстве и времени как об условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы даже материя исчезла.
· концепция абсолютного пространства и времени. Разработана И. Ньютоном в работе «Математические начала натуральной философии», в которой были определены понятия пространства, времени, места и движения. Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон выделил два типа этих понятий: абсолютные и относительные.
Абсолютное время, т. е. без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Относительное время - это внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни (час, день, месяц, год и т. д.). Абсолютное пространство всегда безотносительно к чему-либо внешнему и остается всегда неизменным и неподвижным. Относительное пространство существует всегда относительно других тел.
Таким образом, пространство время являются как бы вместилищами самих себя и всего существующего, как некий «черный ящик», куда помещены все объекты бытия.
· Реляционная концепция Лейбница - рассматривала пространство как порядок сосуществования тел, а время как порядок отношения и последовательность событий.
· Беркли, Мах, Авенариус считали пространство и время порождением человеческого сознания.
· И. Кант понимал пространство и время как вечные, неизменные категории сознания.
· Концепция дальнодействия в физике утверждала, что гравитационные и электрические силы мгновенно распространяются через пустое абсолютное пространство.
· Концепция близкодействия (Декарт, Гюйгенс, Френель, Фарадей) была связана с пониманием пространства как протяженности вещества и эфира, в котором свет распространялся с конечной скоростью в виде волн. Это привело в дальнейшем к понятию поля как среды, передающей взаимодействие.
· В ХХ веке, после крушения гипотезы эфира, пространство и время стали рассматриваться как атрибуты материи.
Современное понимание пространства и времени было сформулировано в теории относительности А. Эйнштейна.
Классический принцип относительности был сформулирован Г. Галилеем. Согласно этому принципу, во всех инерциальных системах отсчета, т. е. системах, движущихся прямолинейно и равномерно, движение тел происходит по одинаковым законам. Это означает, что, если в движущемся поезде бросить вверх мяч, то он упадет вниз, а не назад. Покоящийся в движущемся поезде предмет для человека, стоящего на перроне, будет восприниматься как движущийся. Из этого принципа следует, что между покоем и движением, если оно прямолинейно и равномерно, нет принципиальной разницы, движение и покой относительны. Понятие покоя и движения приобретают смысл тогда, когда указана точка отсчета.
В специальной теории относительностиданный принцип был распространен также на законы электродинамики. В соответствии со специальной теорией относительности, которая объединила пространство и время в единый четырехмерный пространственно-временной континуум, пространственно-временные свойства тел зависят от скорости их движения. Пространственные размеры сокращаются в направлении движения при приближении скорости тела к скорости света в вакууме (300 000 км/с). Временные процессы при таких высоких скоростях замедляются, а масса тела увеличивается. Процессы замедления хода времени в зависимости от скорости движения реально регистрируются на уровне элементарных частиц.
Абсолютная скорость света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Скорость света - это верхний предел для скорости перемещения любых тел природы, частиц, полей, волн.
Общая теории относительности подвела физические основания под неевклидовы геометрии и связала кривизну пространства с действием гравитационных полей, создаваемых массами тел. Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых было установлено еще в классической физике. Кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам. Возникающим под действием ускорения.
Общая теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Было установлено, что при прохождении сигнала вблизи Солнца, его задержка составила 0,0002 с. Общая теория относительности допускает полную остановку времени в очень сильном поле тяготения, например, вблизи предполагаемых сверхплотных космических объектов, испытывающих сверхсжатие, т. н. черных дыр.
Представления о пространстве и времени, сформулированные в теории относительности, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. В настоящее время ученые предполагают существование кванта пространства (фундаментальная длина L) и кванта времени, равного отношению L/c, ограничивающего точность определения временных интервалов.
Все свойства пространства и времени можно разделить на две большие группы. К всеобщим относятся такие пространственно-временные характеристики, которые проявляются на всех известных структурных уровнях материи, тогда как специфические свойства проявляются лишь на отдельных структурных уровнях.
К всеобщим свойствам пространства и времени относятся:
1. Объективность и независимость от сознания человека;
2. Абсолютность, т. е. проявление на всех структурных уровнях материи;
3. Неразрывность между собой и с движущейся материей;
4. Единство непрерывности и прерывистости в их структуре;
5. Количественная и качественная бесконечность, неотделимая от структурной бесконечности материи.
Вместе с тем, пространство и время имеют специфические свойства. К специфическим свойствам пространства относятся:
1) протяженность;
2) непрерывность и связность (как отсутствие разрывов);
3) трехмерность (длина, ширина, высота);
4) наличие пространственной формы тел, их расположение в пространстве;
5) наличие симметрии или асимметрии;
6) изотропность (отсутствие верха, низа и др.);
К специфическим свойствам времени относятся:
7) длительность;
8) единство прерывного и непрерывного;
9) необратимость;
10) одномерность (линейная последовательность событий: от прошлого через настоящее к будущему);
11) конкретная длительность существования материальных систем (время от их возникновения до распада, ритмы, циклы);
12) неодновременность событий в разных системах.
Кроме общих пространства и времени, некоторые авторы выделяют в качестве самостоятельных: биологическое, социальное, индивидуальное, художественное, историческое и др. пространства и время. Основания для этого есть, но во всех этих специфических системах проявляются в большинстве общие пространственно-временные свойства.
Принципы современной физики
Принципы современной физики - это общие законы, влияющие на все физические процессы и все формы движения материи. Среди всей группы физических принципов важнейшим является принцип симметрии, на основе которого действует закон сохранения физических величин.
Симметрия широко распространена в природе и жизни человека. Кристаллы, молекулы пространственных, оптических изомеров, живые организмы обладают симметрией. На симметрии во многом основывается такое явление, как красота.
Симметрия в физике - это свойство физических величин, детально описывающих поведение систем, оставаться неизменными при определенных преобразованиях. Во многих случаях из принципов симметриилогически следуют законы сохранения.
Принципы симметрии делятся на 1) внешние или пространственно-временные и 2) внутренние симметрии.
К внешним симметриям относятся:
Объективная равноправность всех моментов времени. Это означает, что время однородно и любой момент времени можно взять за начало отсчета. Из этого вытекает закон сохранения энергии.
Однородность пространства, т. е. равноправие всех его точек. Сдвиг в пространстве какой-либо системы не влияет на процессы внутри нее. Из этой симметрии вытекает закон сохранения импульса.
Изотропность пространства, т. е. одинаковость его свойств по всем направлениям. Из этого следует закон сохранения момента импульса.
Принцип относительности, определяющий одинаковость законов природы во всех системах отсчета. Из него вытекает сохранение скорости движения центра масс.
Обратимость процессов во времени - действует только на уровне макромира. Фундаментальные физические законы не изменяются при обращении знака времени. На уровне микромира наблюдается необратимость процессов. Считают, что это связано с неравновесным состоянием Вселенной.
Зеркальная симметрия природы - не изменяет физических законов любого природного объекта.
Зарядовое сопряжение - замена частиц на античастицы не изменяет природных процессов.
Зеркальная симметрия и зарядовое сопряжение сохраняется только при сильных и электромагнитных взаимодействиях, тогда как остальные симметрии выполняются при любых взаимодействиях.
К внутренним симметриям относятся:
1. Неизменность суммы электрических зарядов элементарных частиц. В этом состоит закон сохранения электрического заряда.
2. Постоянство числа тяжелых частиц и античастиц ядра (барионов) не изменяется при любых процессах.
3. Неизменность числа лептонов и антилептонов (легких частиц) при превращениях элементарных частиц.
4. Изотопическая инвариантность - связана с сильным ядерным взаимодействием между протонами и нейтронами. Эти частицы различаются только наличием положительного заряда у протона. При сильных взаимодействиях они выступают как одна частица. Поэтому Гейзенберг предложил рассматривать протон и нейтрон как два разных состояния одной частицы - нуклона. Атомы, ядра которых различаются только числом нейтронов, называются изотопами, поэтому данный тип симметрии получил название изотопической.
На основе теорий Большого и Суперобъединения физики пришли к идее суперсимметрии, т. е. симметрии, объединяющей все типы элементарных частиц в единое целое на основе теории суперструн и геометрии искривленного пространства.
Законы симметрии имеют однозначный, динамический характер, не допускающий статистического (вероятностного) разброса физических величин.
Принцип соответствия был сформулирован Н. Бором в 1923 г. Он определяется тем, что фундаментальные физические теории и законы не являются абсолютно точным отражением действительности. Каждая фундаментальная теория имеет определенные границы применимости.
По мере развития науки менее точные теории заменяются более точными. Физические теории должны быть преемственны. Никакая новая теория не может быть справедливой, если не содержит предельного случая старой, оправдавшей себя в данной области. Так, классическая механика Ньютона правильно описывает движение в макромире при скоростях намного меньших, чем скорость света. Теория относительности справедлива для описания тел любых уровней с любыми скоростями.
Каждая физическая теория является относительной истиной. Смена теорий - это процесс приближения к абсолютной истине. Этот процесс никогда не будет полностью завершен из-за бесконечной сложности и разнообразия окружающего бытия.
Принцип дополнительности возник в физике как попытка осознания противоречий микромира, связанных с открытием квантово-волнового дуализма. Согласно принципу дополнительности Бора, для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий - частиц и волн. Только совокупность таких понятий дает исчерпывающую информацию об объектах микромира.
Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей Гейзенберга. Элементарные частиц, совмещающие в себе одновременно свойства частицы и волны не могут рассматриваться как материальные точки. Поэтому их координаты, импульс и энергия могут быть заданы лишь приблизительно, на основе вероятностных законов. Поэтому в модели атома Бора электроны изображены как пространственные облака различной формы.
Принцип суперпозиции (наложения) имеет важное значение в физике, особенно в квантовой механике. Это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым явлением в отдельности. Например, правило параллелограмма, которое применяется для сложения сил, действующих на тело. В классической механике этот принцип не универсален и выполняется лишь приближенно.
В микромире принцип суперпозиции является фундаментальным, в соответствии с ним складываются альтернативные, исключающие друг друга состояния. Например, при аннигиляция электрона и позитрона принцип суперпозиции допускает возникновение безмассовых незаряженных частиц - фотонов.
Физическое взаимодействие
Взаимодействие представляет собой развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Оно обусловливает соединение элементов в системы. Все свойства тел являются производными от взаимодействий.
Взаимодействие выступает как движение материи, а любое движение включает в себя различные виды взаимодействия. Не существует движения, в котором не было бы взаимодействия, так и не существует взаимодействия без движения. Взаимодействие и движение являются формой существования материи. По современным представлениям взаимодействие любого типа должно иметь своего физического агента-переносчика.
Любые формы движения материи, изучаемые физикой, являются фундаментальными взаимодействиями. Это силы гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий.
Гравитационное взаимодействие является самым слабым из всех физических взаимодействий. Оно описывается законом тяготения И. Ньютона. В макромире оно тем сильнее, чем больше массы взаимодействующих тел. В микромире гравитационное взаимодействие теряется на фоне более мощных сил. Так, сила гравитационного притяжения электронов в 1040 раз меньше, чем их сила электростатического отталкивания. И только при сверхвысокой плотности вещества, порядка 1094 г/см3 гравитационные взаимодействия могут быть сравнимы с другими формами взаимодействия в микромире.
Гравитационные взаимодействия обусловливают образование всех космических систем, а также концентрацию рассеянной материи звезд и галактик. Считается, что скорость распространения гравитационных волн равна скорости света в вакууме, но они еще достоверно не зарегистрированы приборами. Чувствительность современных измерительных устройств недостаточна для их регистрации из-за ничтожно малой амплитуды. Тем не менее американским физикам Р. Хясли и Дж. Тейлору удалось косвенно подтвердить существование гравитационных волн, за что в 1993 г. они были удостоены Нобелевской премии.
Для гравитации не существует противоположной эквивалентной силы отталкивания - антигравитации. Все античастицы обладают положительными значениями массы и энергии.
С точки зрения квантовой механики предполагается, что поле тяготения создается частицей гравитоном, хотя экспериментально она еще не найдена. Считается, что силы тяготения являются результатом постоянного обмена между телами гравитонами, которые переносят энергию и обладают всеми характеристиками, присущими материальным объектам.
В общей теории относительности существует понимание гравитации как проявление кривизны пространства. Чем больше масса тела, тем большее искривление пространства создает поле тяготения.
Пока не ясно, какая их данных теорий ближе к истине.
Электромагнитное взаимодействие обладает универсальным характером и существует между любыми телами. Проявляется в притяжении разноименных зарядов или отталкиванием одноименных.
Благодаря электромагнитному взаимодействию возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции - это проявление электромагнитных взаимодействий, которые приводят к перераспределению химических связей между атомами и молекулами.
Электричество и магнетизм - это силы одного и того же феномена. Электродинамика Д. Максвелла является законченной классической теорией электромагнетизма, сохраняющей свое значение и в наши дни.
В современной физике создана более совершенная и точная квантовая электродинамика, которая утверждает, что заряд создает поле, квантом которого является безмассовая частица фотон.
Электрический заряд проявляется в двух разновидностях: заряд электрона назван отрицательным, а заряд, которым обладают протон и позитрон - положительным. Взаимодействие положительных и отрицательных зарядов обеспечивается обменом фотонов. Во всех электромагнитных процессах выполняется закон сохранения заряда, импульса и энергии.
Слабое взаимодействие - это фундаментальное физическое взаимодействие, существующее только в микромире. Оно способствует превращению одних частиц (фермионов) в другие. Примером такого взаимодействия является b-распад. В ходе этого процесса свободный нейтрон в среднем за 15 минут распадается на протон, электрон и антинейтрино.
n0 ® p+ + e- + n-
Распад вызван превращением внутри нейтрона кварка аромата d в кварк аромата u. Слабым зарядом обладают некоторые элементарные частицы из класса лептонов и кварков. Он образует три разновидности поля с обменными частицами (бозонами), имеющими значительную массу. Радиус его действия очень мал - 10-15 см.
В настоящее время предполагается, что существует единый фундаментальный заряд, определяющий одновременно слабое и электромагнитное взаимодействие.
Сильное взаимодействие соединяет элементарные частицы - кварки и антикварки в адроны. Теория сильных взаимодействий находится в стадии становления. Исходным положением этой теории является существование трех условных типов цветовых зарядов кварков: красного, синего и зеленого, которые и определяют сильное взаимодействие.
Цветовые заряды кварков и антикварков создают 8 типов полей, переносчиками (квантами) которых являются 8 типов цветовых бозонов, названных глюонами. Глюоны, как фотоны и гравитоны, не имеют массы, но имеют цветовые заряды и обладают ограниченным радиусом действия, равным 10-13 см. На очень близких расстояниях кварки перестают влиять друг на друга, но с увеличением расстояния между кварками сила взаимодействия нарастает. Для разделения двух частиц с цветовыми зарядами понадобилась бы бесконечно большая энергия.
До открытия кварков и их цветового взаимодействия фундаментальным считалось ядерное взаимодействие, объединяющее протоны и нейтроны (барионы) в ядрах атомов. С открытием кваркового уровня вещества под сильным взаимодействием стали понимать цветовые взаимодействия между кварками. Таким образом, ядерные силы - это отголоски цветовых сил.
В настоящее время физики пытаются вывить универсальные механизмы всех фундаментальных физических взаимодействий. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия в единое элетрослабое взаимодействие стало первым успехом на этом пути. Существуют попытки создания теории Большого объединения на основе объединения электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий. Еще более грандиозна идея объединения всех типов фундаментального взаимодействия (гравитационного, электромагнитного, слабого, сильного) в теорию Суперобъединения.
Физики считают, что могут создать эту теорию на основе теории суперструн. Теория суперструн основана на предположении, что существуют некие протяженные объекты - струны. Это пространственно одномерные отрезки, размером 10-33 см, имеющие 6 дополнительных пространственных измерений, которые в отличие от обычных 4-х измерений, замкнуты и свернуты в точки, не распространяясь на область макромира.
Понятие струны становится синонимом понятия частицы. Все частицы являются возбужденным состоянием струн. Различная степень возбуждения («звучания») струн определяет различные свойства элементарных частиц.
Теория суперструн предполагает некоторые интересные следствия:
· струны могут порождать гипотетические элементарные частицы тахионы, движущиеся со скоростью, большей скорости света.
· возможность существования теневого мира, как объяснение факта, открытого астрономами, что галактики содержат массу невидимого вещества, в десятки раз превосходящую массу самих галактик.
5. Динамические и статистические законы
Динамические и статистические законы физики имеют отношение к объяснению хаоса и порядка. Феномены порядка и беспорядка (хаоса) в природе объясняются в физике на основе законов (начал) термодинамики. Термодинамика - это раздел физики, изучающий тепловые явления.
Первое начало термодинамики называют еще законом сохранения энергии. Согласно этому фундаментальному закону, энергия сохраняется в изолированной системе. Ее количество всегда остается постоянным, превращаясь лишь из одной формы в другую - механическую, тепловую, внутреннюю. Внутренняя энергия складывается из движений атомов, энергии химических связей, электронов. Первый закон термодинамики утверждает, что тепло, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии. Закон не имеет исключений и доказывает принципиальную невозможность создания вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу больше, чем подводимая к нему энергия.
Второе начало термодинамики запрещает существование вечного двигателя второго рода, т. е. машины, способной совершать работу за счет переноса тепла от холодного тела к горячему. Согласно этому закону, тепло не может самопроизвольно перетечь от холодного тела к горячему. Второй закон термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии - теплоты как меры хаотического движения частиц и работы, связанной с упорядоченным движением. Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло, но тепло нельзя полностью превратить в работу. Таким образом, неупорядоченную форму энергии нельзя превратить в упорядоченную.
Мерой неупорядоченности в термодинамике является энтропия, которая всегда положительна, кроме случая с идеальным кристаллом при абсолютном нуле (-273 оС), но третье начало термодинамики говорит о недостижимости абсолютного нуля. Иногда используется отрицательная величина энтропии - негэнтропия, которая является мерилом упорядоченности системы. Рост негэнтропии соответствует возрастанию порядка, а энтропии - росту хаоса.
В соответствии со вторым законом термодинамики в изолированных системах, т. е. системах, не обменивающихся с окружающей средой энергией, неупорядоченное состояние (хаос) не может самостоятельно перейти в порядок. Таким образом, в изолированных системах энтропия может только расти. Эта закономерность получила название принципа возрастания энтропии. Согласно этому принципу, любая система стремится к состоянию термодинамического равновесия, которое отождествляется с хаосом. Поскольку увеличение энтропии характеризует изменения во времени замкнутых систем, то энтропия выступает в качестве своеобразной стрелы времени.
Из этого принципа вытекает пессимистическая гипотеза о тепловой смерти Вселенной, сформулированная Р. Клазиусом и У. Кельвином, в соответствии с которой:
* энергия Вселенной всегда постоянна;
* энтропия Вселенной всегда возрастает.
Таким образом, все процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующему состоянию наибольшего хаоса и дезорганизации. Все виды энергии деградируют, превратившись в тепло, и звезды закончат свое существование, отдав энергию в окружающее пространство. Установится постоянная температура лишь на насколько градусов выше абсолютного нуля. В этом пространстве будут разбросаны безжизненные, остывшие планеты и звезды. Не будет ничего - ни источников энергии, ни жизни.
Такая мрачная перспектива предсказывалась физикой вплоть до 60-х годов ХХ столетия, хотя выводы термодинамики противоречили результатам исследований в биологии и социальных науках. Так, эволюционная теория Дарвина свидетельствовала, что живая природа развивается преимущественно в направлении усовершенствования и усложнения новых видов растений и животных. История, социология, экономика, другие социальные и гуманитарные науки так же показывали, что в обществе, несмотря на отдельные зигзаги развития, в целом наблюдается прогресс.
Опыт и практическая деятельность свидетельствовали, что понятие закрытой или изолированной системы является достаточно грубой абстракцией, упрощающей действительность, поскольку в природе трудно найти системы, не взаимодействующие с окружающей средой. Противоречие стало разрешаться, когда в термодинамике вместо понятия закрытой изолированной системы ввели фундаментальное понятие открытой системы, т. е. системы, обменивающейся с окружающей средой веществом, энергией и информацией.
Развитие научной космологии
Современная космология - это астрофизическая теория, изучающая структуру и динамику развития Метагалактики, включающая в себя понимание свойств всей Вселенной.
Небесный мир всегда волновал человека. Вопрос о строении, развитии и происхождении Вселенной был предметом научного поиска для многих поколений ученых.
Космология берет свое начало в древнегреческой мифологии, где достаточно подробно и систематизировано рассказывается о сотворении мира и его устройстве. Итогом научной космологии античности стала геоцентрическая концепция Птолемея, просуществовавшая в течение всего средневековья.
Основателем научной космологии считается Николай Коперник, создавший гелиоцентрическую модель Вселенной. В центр Вселенной он поместил Солнце, вокруг которого вращались планеты, за орбитами которых располагалась сфера неподвижных звезд. Их природа в тот период была неясна. За сферой неподвижных звезд, по мнению Коперника, находился «эмпирей» - место обитания сверхъестественных тел и существ. Таким образом, Вселенная по Копернику - это мир в скорлупе.
Теория множественности миров была выдвинута Джордано Бруно. Он считал, что Вселенная состоит из бесконечного множества звезд, которые являются далекими солнцами, согревающими бесчисленные планеты. Идеи Бруно намного обогнали его эпоху, но не имели фактов, доказывающих их справедливость.
Окончательно идея полицентризма, т. е. наличие множества центров во Вселенной, была доказана Галилео Галилеем. С помощью изобретенного им телескопа он установил вращение планет вокруг Солнца и их сходство с Землей. Современник и друг Галилея, Иоганн Кеплер уточнил законы движения планет. Эти исследования заставили постепенно отказаться от ошибочного представления о Солнце как центре Вселенной.
Классическая модель Вселенной была построена Исааком Ньютоном. Сущность этой теории можно выразить в следующих положениях:
Вселенная вечна, т. е. является бесконечной в пространстве и времени.
Пространство играет пассивную роль и является вместилищем небесных тел.
Количество звезд, планет и звездных систем во Вселенной бесконечно велико.
Движением планет и развитием небесных тел управляет закон всемирного тяготения.
Каждое небесное тело проходит длительную эволюцию и на смену погасшим светилам приходят новые.
Классическая модель Вселенной была признанной в науке вплоть до начала ХХ века. Однако в конце XVIII- начале XIX вв. два астронома Р. Шезо и Ф. Ольберс независимо друг от друга пришли к выводу, что небосвод, обильно усеянный звездами, должен был бы излучать свет, во много раз более интенсивный, чем свет солнца. Это парадоксальное утверждение получило в астрономии наименование фотометрического парадокса Шезо-Ольберса.
В конце XIX в. немецкий астроном К. Зеелигер открыл гравитационный парадокс. Суть парадокса в том, что при бесконечной Вселенной сила тяготения со стороны всех тел на определенное тело должно быть бесконечно большой. Бесконечно большими должны быть и скорости движения небесных тел, чего не наблюдается в действительности. Из этого был сделан вывод, что количество небесных тел ограничено, а значит, Вселенная не бесконечна.
Особенно больших успехов космология добилась в ХХ веке, когда на смену различным догадкам пришли достаточно обоснованные факты, гипотезы, теории. Многие из них допускали, что на разных уровнях существования природы повторяются одни и те же законы, и различия могут быть лишь в масштабах. Такова космология английского физика Фурнье Дальба (1911 г.). Его модель Вселенной напоминает матрешку. Вселенные меньших размеров существуют в более крупных и в их устройстве проявляются одни и те же правила.
После создания планетарной модели атома Резерфордом эти нашли отражение в космологии. Предположили, что ядро атома - это Солнце, а электроны - планеты, на которых может быть жизнь. Таким образом, наш мир является такой же элементарной единицей Мегамира.
Значительным явлением в космологии былагипотеза тепловой смерти Вселенной Р. Клазиуса и У. Кельвина, вытекающая из второго закона термодинамики. В соответствии с этой гипотезой, различные виды энергии при всех превращениях в конечном итоге переходят в тепло, которое стремится к состоянию термодинамического равновесия, т. е. рассеивается в пространстве. Таким образом, Вселенную ожидает тепловая смерть.
Попытка решения термодинамического парадокса была предпринята Л. Больцманом, предложившим вероятностную гипотезу развития Вселенной. По его мнению, Вселенная почти всегда пребывает в состоянии тепловой смерти, но иногда в некоторых ее областях возникают крайне маловероятные отклонения от обычного состояния (флуктуации). Таким участком является Земля и весь видимый космос. В целом Вселенная - это мертвый океан с небольшими островками жизни.
Такое объяснение не смогло удовлетворить многих ученых, т. к. расчеты показали, что вероятность возникновения такой гигантской флуктуации в пространстве практически равна нулю.
Три космологических парадокса: фотометрический, гравитационный и термодинамический - заставили ученых усомниться в бесконечности и вечности Вселенной.
В 1917 г. А. Эйнштейн выступил с гипотезой о стационарной Вселенной. Из расчетов Эйнштейна следовало, что Вселенная является четырехмерной сферой. Таким образом, Вселенная конечна по объему, как поверхность любой сферы, и не имеет границ. Количество звезд и звездных систем Вселенной, хотя и огромно, но конечно. В соответствии с теорией Эйнштейна, Вселенная не вечна и развивается в направлении тепловой смерти.
В 1922 году российский физик Александр Фридман на основании строгих расчетов сформулировал гипотезу о нестационарности Вселенной. По его мнению, Вселенная Эйнштейна не может быть стационарной. Она непременно должна расширяться, причем расширяться должно пространство. Вселенная Фридмана подобна раздувающемуся мыльному пузырю, площадь поверхности и радиус которого непрерывно увеличиваются. Из расчетов Фридмана вытекают три возможных следствия:
n Вселенная и ее пространство расширяются с течением времени;
n Вселенная сжимается;
n во Вселенной чередуются циклы расширения и сжатия;
Доказательства в пользу модели расширяющейся Вселенной были получены в 1926 году американским астрономом Д. Хабблом. При исследовании спектров далеких галактик он открыл красное смещение, т. е. смещение спектральных линий к красному концу спектра как следствие эффекта Доплера (изменение частоты колебаний и длины волны из-за движения источника излучения по отношению к наблюдателю). Красное смещение, т. е. увеличение длин волн у наблюдаемых объектов может происходить только у удаляющихся объектов. По последним измерения скорость удаления галактик друг от друга составляет 55 км/с. После этого открытия в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной.
В последние десятилетия уточнены величины, характеризующие скорость расширения Вселенной, определено наиболее вероятное время ее существования - около 15 млрд. лет. Вопрос о цикличности расширений и сжатий пока остается открытым.
Эволюция Вселенной
Вселенная - это самый глобальный объект мегамира, безграничный во времени и пространстве. Согласно современных представлений она представляет собой громадную необъятную сферу. Существуют научные гипотезы об «открытой», то есть «непрерывно расширяющейся», равно как и о «закрытой», то есть «пульсирующей», Вселенной. Обе гипотезы существуют в нескольких вариантах. Однако требуются очень основательные исследования, пока та или иная из них не превратится в более или менее обоснованную научную теорию.
Как считают ученые, все зависит от величины средней плотности материи во Вселенной, а величину эту пока еще не удалось определить с достаточной точностью. Зато точно рассчитана некая критическая величина, выше и ниже которой Вселенная должна вести себя по-разному.
Если средняя плотность материи равна этой величине или ниже ее, то Вселенная будет расширяться бесконечно, причем эта средняя плотность материи во Вселенной будет бесконечно стремиться к нулю - примерно так же, как если бы облачко дыма стало «расплываться» в воздухе. Если же плотность материи окажется выше указанной величины, то в будущем расширение Вселенной прекратится и сменится сжатием.
Не исключено, что периоды расширения и сжатия чередуются бесконечно. В этом случае мы имеем «пульсирующую» Вселенную. Не исключено также, что циклы «расширение - сжатие» отличаются друг от друга, изменяясь согласно какой-то закономерности. В этом случае мы имеем «осциллирующую» Вселенную.
Метагалактика - это часть Вселенной, доступная изучению астрономическими средствами. Она состоит из сотни миллиардов галактик, каждая из которых вращается вокруг своей оси и одновременно разбегаются друг от друга со скоростями от 200 до 150 000 км/с.
Галактика - это скопление звезд в объеме, имеющем форму линзы. Большая часть звезд концентрируется в плоскости симметрии этого объема (галактической плоскости), меньшая часть, концентрируется в сферическом объеме (ядре галактики). Кроме звезд в состав галактик входят межзвездное вещество (газы, пыль, астероиды, кометы), электромагнитные, гравитационные поля, космические излучения. Солнечная система расположена вблизи галактической плоскости нашей галактики. Для земного наблюдателя звезды, концентрирующиеся в галактической плоскости, сливаются в видимую картину Млечного пути.
Квазары - это удален