Глава 3 эволюция представлений о космологической модели вселенной

Модели Вселенной, как и любые другие, строятся на основе тех теоретических представлений, которые существовали или существуют в данное время в космологии.

- космологические представления Аристотеля: шарообразная, неоднородная Вселенная.

- геоцентрическая система мира Птолемея представляла собой первую универсальную математическую модель мира, в которой время было бесконечным, а пространство конечным, включающим равномерное круговое движение небесных тел вокруг неподвижной Земли.

- гелиоцентрическая система мира Н. Коперника выдвигала концепции единого однородного пространства, центром которого является Солнце, и равномерности течения времени. Теория Коперника не только изменила существующую модель Вселенной, но и направила движение естественно – научной мысли к признанию безграничности и бесконечности пространства.

- космологическая теория Д. Бруно связала воедино бесконечность Вселенной и пространства. Представляя Вселенную как «целое бесконечное», как «единое, безмерное пространство», он делает вывод о безграничности пространства, ибо оно «не имеет края, предела и поверхности».

- ньютоновская космология опирается на строгие математические обоснования, представленные в классической механике. Ее вершиной стала теория тяготения, провозгласившая универсальный закон природы – закон всемирного тяготения: сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами независимо от их конкретных свойств. И. Ньютон пришел к выводу, что Вселенная является неконечной, а бесконечной. Лишь в этом случае в ней может существовать множество космических объектов – центров гравитации. В рамках ньютоновской гравитационной модели Вселенной утверждается представление о безграничной, бесконечной, однородной и неизменной Вселенной. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом. В ньютоновской концепции возникли 2 парадокса, связанные с постулатом бесконечности Вселенной.

- 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;

- фотометрический – если существует бесконечное количество небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, что не наблюдается. Эти парадоксы разрешает современная космология, в границах которой было введено представление о расширяющейся и эволюционирующей Вселенной.

3.1. Особенности развития современной космологии

Общая теория относительности как теоретическая основа современной научной космологии.

Современная космология возникла после появления общей теории относительности и поэтому ее в отличие от прежней, классической, называют релятивистской. На первом этапе она уделяла главное внимание геометрии Вселенной и, в частности, кривизне четырехмерного пространства – времени и связи этой кривизны с плотностью вещества. В основе Вселенной Эйнштейна лежит уравнение тяготения общей теории относительности, по которому Вселенная стационарна и неподвижна.

Космологическая модель Фридмана

Новый этап в развитии космологической модели Вселенной был связан с исследованиями русского ученого А.А. Фридмана (1888 – 1925). Решая уравнение тяготения А. Эйнштейна в 1922 году, ему удалось впервые теоретически доказать, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной. В решении этих уравнений А.А. Фридман допускает 3 возможности:

- 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 обладает геометрией Лобачевского и также неограниченно расширяется;

- если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым: расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния.

Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной точно неизвестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этих пространств Вселенной находимся.

В 1927 г. Ж. Лемерт (1894-1966) связал «расширение» пространства с данными астрономических наблюдений. Он ввел понятие начала Вселенной как сингулярности (т.е. сверхплотного состояния) и рождения Вселенной как Большого взрыва.

В 1929 году американским астроном Э. Хабблом было получено наблюдаемое подтверждение нестационарности Вселенной. Он 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 («разбегании») галактик от наблюдателя. Скорость разбегания галактик пропорциональна расстоянию до них (закон Хаббла). Красное смещение подтверждает теоретический вывод о нестационарности Вселенной (с точки зрения современной науки Вселенная постоянно расширяется) (рис.25). В связи с этим на первый план выдвигаются проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста по продолжительности этого расширения.

Модель «горячей» Вселенной

Начало следующего периода развития космологии связано с работами известного американского физика Г.А. Гамова (1904 – 1968), русского по происхождению. В них исследуются физические процессы, происходившие на разных стадиях расширяющейся Вселенной. Г.А. Гамов выдвинул модель «горячей» Вселенной. Первоначально она находилась в условиях, которые трудно вообразить на Земле. Эти условия характеризуются наличием высокой температуры и давления в сингулярности, в которой была сосредоточена вся материя. Такое допущение вполне согласуется с установлением расширения Вселенной, которое могло начаться с некоторого момента, когда она находилась в очень горячем состоянии и постепенно охлаждалась по мере расширения.