Текст книги "Концепции современного естествознания"

Глава 6. Космологические концепции вселенной

6.1. Космология и космогония

Во все времена люди стремились понять, как возник наш мир, что такое звезды, планеты, Солнце. Попытки дать ответы на эти вопросы первоначально привели к возникновению мифологии. Победа христианства утвердила представления о сотворении мира Богом из ничего. С появлением науки на смену мифологическим и религиозным пришли научные представления о происхождении Вселенной.

Сегодня Вселенную изучает космология – наука о Космосе. Сам термин «космология» образован от двух греческих слов: kosmos – вселенная и logos – закон, учение. Космология представляет собой раздел естествознания, использующий достижения и методы астрономии, физики, математики, философии. Естественно-научной базой космологии являются астрономические наблюдения нашей Галактики и других звездных систем, общая теория относительности, физика микропроцессов и высоких плотностей энергии, релятивистская термодинамика и ряд других новейших физических теорий.

Выводы космологии называются моделями происхождения Вселенной, т. е. возможными вариантами объяснения. Отсюда многие положения современной космологии кажутся фантастическими. Понятия Вселенной, бесконечности, Большого взрыва не поддаются воображению, такие объекты и процессы невозможно зафиксировать органами чувств человека или физическими приборами. Из-за этого обстоятельства складывается впечатление, что речь идет о чем-то сверхъестественном. Но такое впечатление обманчиво, поскольку функционирование космологии носит весьма конструктивный характер, хотя многие ее положения оказываются гипотетичными.

Современная космология – раздел астрономии, в котором объединены данные физики, математики, универсальные философские принципы, поэтому она представляет собой синтез научных и философских знаний. Такой синтез в космологии необходим, поскольку размышления о происхождении и устройстве Вселенной эмпирически трудно проверяемы и чаще всего существуют в виде теоретических гипотез или математических моделей. Космологические исследования развиваются обычно от теории к практике, от модели к эксперименту, и здесь исходные философские и общенаучные установки приобретают большое значение. По этой причине космологические модели существенно различаются между собой – в их основе зачастую лежат исходные противоположные философские мировоззренческие принципы. В свою очередь, любые космологические выводы также влияют на общефилософские представления об устройстве Вселенной, так как изменяют фундаментальные представления человека о мире и самом себе.

Важнейший постулат современной космологии заключается в том, что законы природы, установленные на основе изучения весьма ограниченной части Вселенной, могут быть экстраполированы на гораздо более широкие области и в конечном счете на всю Вселенную. Космологические концепции различаются в зависимости от того, какие физические принципы и законы закладываются в их основу. Построенные на их базе модели должны допускать проверку для наблюдаемой области Вселенной, а выводы любой концепции – подтверждаться наблюдениями (или не противоречить им).

Кроме того, в соответствии с потребностью познания звезд, планет и других небесных тел в Новое время зародилась космогония – наука о происхождении и развитии космических тел и их систем. Космогония изучает звезды и звездные системы, галактики, туманности, Солнечную систему и все входящие в нее тела: планеты, спутники, астероиды, кометы и метеориты. Первоначально космогонические гипотезы касались только Солнечной системы, в XX в. появилась возможность начать серьезное изучение происхождения и развития звезд и галактик.

6.2. Космологические модели Вселенной

Результаты познания, получаемые в космологии, оформляются в виде моделей происхождения и развития Вселенной. Это связано с тем, что в космологии невозможно поставить воспроизводимые эксперименты и вывести из них законы, как это делается в других естественных науках. Кроме того, каждое космическое явление уникально, поэтому космология имеет дело только с моделями.

Формирование классической космологической модели. Еще древние мудрецы задались вопросом о происхождении и устройстве Вселенной. Их взгляды были неотъемлемыми компонентами философских систем древности. Первые космологические идеи основывались на астрономических наблюдениях, которые начались с глубокой древности. Жрецам Вавилона, Египта, Индии и Китая удалось довольно точно вычислить продолжительность года, повторяемость солнечных и лунных затмений. Наблюдая за небесными телами, они смогли выявить две группы небесных тел: подвижные и неподвижные. Множество звезд тогда считались неподвижными объектами. К числу подвижных тел относились Луна, Солнце и пять известных планет, названных именами римских богов: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн (впервые это было сделано в Вавилоне, и сегодня мы используем такие названия). В честь их неделя была разделена на семь дней, каждый из которых в существующей и сегодня астрологической традиции связан с одним из подвижных тел. Из наблюдения видимого движения Солнца по небесной сфере были открыты 12 так называемых зодиакальных созвездий.

После того как вместе с наукой на смену мифологии пришла философия, ответ на «вечные вопросы» стали искать в основном в рамках философских концепций. В Античности появилось несколько интересных космологических моделей Вселенной – у Пифагора, Демокрита, Платона. Тогда же возникли первые гелиоцентрические модели Вселенной. Так, Гераклит Понтийский признавал суточное вращение Земли и ее движение вокруг покоящегося Солнца. Аристарх Самосский выдвигал идею о том, что Земля вращается по окружности, центром которой служит Солнце. Но эти гелиоцентрические идеи были отвергнуты большинством античных мыслителей. Общепризнанным итогом античной космологии стала геоцентрическая концепция, сформулированная Аристотелем, усовершенствованная К. Птолемеем и просуществовавшая в течение всего Средневековья.

С наступлением Нового времени философия уступила первенство в создании космологических моделей науке, которая добилась особенно больших успехов в XX в., перейдя от различных догадок в этой области к достаточно обоснованным фактам, гипотезам и теориям. Первым результатом стало появление в XVI в. гелиоцентрической модели Вселенной Н. Коперника. В этой модели Вселенная все еще представляла замкнутую сферу с Солнцем в центре, вокруг которого вращались планеты, среди них и Земля.

Успехи космологии и космогонии XVIII – ХIХ вв. завершились созданием классической полицентрической картины мира, ставшей начальным этапом развития научной космологии. Эта классическая полицентрическая модель достаточно проста и понятна. Вселенная считается бесконечной в пространстве и времени, иными словами – вечной. Основным законом, управляющим движением и развитием небесных тел, является закон всемирного тяготения. Пространство никак не связано с находящимися в нем телами, играя пассивную роль вместилища для этих тел. Время также не зависит от материи, являясь универсальной длительностью всех природных явлений и тел. Исчезни вдруг все эти тела, пространство и время сохранились бы неизменными. Количество звезд, планет и звездных систем во Вселенной бесконечно велико. Каждое небесное тело проходит длительный жизненный путь. На смену погибшим (погасшим) звездам вспыхивают новые молодые светила. Хотя детали возникновения и гибели небесных тел оставались неясными, в основном эта классическая модель казалась стройной и логически непротиворечивой. В таком виде она господствовала в науке вплоть до XX в.

Но в данной модели Вселенной было несколько недостатков. Закон всемирного тяготения объяснял центростремительное ускорение планет, но не говорил, откуда взялось стремление планет, любых материальных тел двигаться равномерно и прямолинейно. Для объяснения инерциального движения пришлось допустить существование в ней «божественного толчка», приведшего в движение все материальные тела. Кроме того, для коррекции орбит космических тел также допускалось вмешательство Бога. Таким образом, классическая полицентрическая модель Вселенной лишь частично носила научный характер, она не могла дать научного объяснения происхождения Вселенной и поэтому была заменена другими моделями.

Космологические парадоксы. К концу XIX века появились серьезные сомнения в классической космологической модели. Они приняли форму так называемых космологических парадоксов – фотометрического, гравитационного и термодинамического.

Еще в XVIII веке швейцарский астроном Р. Шезо высказал сомнение в пространственной бесконечности Вселенной. Если предположить, утверждал Р. Шезо, что в бесконечной Вселенной существует бесконечное множество звезд и они распределены в пространстве равномерно, то тогда по любому направлению взгляд земного наблюдателя натыкался бы на какую-нибудь звезду. В этом случае небосвод, сплошь усеянный звездами, имел бы бесконечную светимость, т. е. такую поверхностную яркость, что даже Солнце на его фоне казалось бы черным пятном. Однако этого не происходит. Независимо от Р. Шезо к таким же выводам пришел известный немецкий астроном Ф. Ольберс. Это парадоксальное утверждение получило в астрономии наименование фотометрического парадокса Шезо – Ольберса. Таков был первый космологический парадокс, поставивший под сомнение пространственную бесконечность Вселенной.

В конце XIX в. немецкий астроном К. Зеелигер обратил внимание на другой парадокс, также вытекавший из представлений о бесконечности Вселенной. Он получил название гравитационного парадокса. Нетрудно подсчитать, что в бесконечной Вселенной с равномерно распределенными в ней телами сила тяготения со стороны всех тел Вселенной на данное тело оказывается бесконечно большой или неопределенной. Результат зависит от способа вычисления. Поскольку этого не происходит, К. Зеелигер сделал вывод, что количество небесных тел во Вселенной ограничено, а значит, и сама Вселенная не бесконечна.

Третий, термодинамический парадокс также был сформулирован в XIX в. Он вытекает из второго начала термодинамики – принципа возрастания энтропии. Мир полон энергии, которая подчиняется важнейшему закону природы – закону сохранения энергии. Казалось бы, на этом законе зиждется вечный круговорот материи во Вселенной. В самом деле, если в природе при всех изменениях материи она не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы существования в другую, то Вселенная вечна, а материя, ее составляющая, пребывает в вечном круговороте. Таким образом, погасшие звезды снова превращаются в источник света и тепла. Никто, конечно, не знал, как это происходит, но убеждение в том, что Вселенная в целом всегда одна и та же, было в то время почти всеобщим.

Тем неожиданнее прозвучал вывод из второго начала термодинамики, открытого в середине XIX в. англичанином У. Кельвином и немецким физиком Р. Клаузиусом. При всех превращениях различные виды энергии в конечном счете переходят в тепло, которое, будучи предоставлено само себе, стремится к состоянию термодинамического равновесия, т. е. рассеивается в пространстве. Так как такой процесс рассеивания тепла необратим, то рано или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в природе прекратятся и Вселенная превратится в мрачное замерзшее кладбище. Наступит «тепловая смерть» Вселенной.

Признать точку зрения Р. Клаузиуса – значит согласиться, что Вселенная имела когда-то начало и неизбежно будет иметь конец. Действительно, если бы в прошлом Вселенная существовала вечно, то в ней давно наступило бы состояние «тепловой смерти», а поскольку этого нет, то, по убеждению Р. Клаузиуса и других его современников, Вселенная была сотворена сравнительно недавно; в будущем, если не случится чудо, Вселенную ждет «тепловая смерть».

Таким образом, три космологических парадокса заставили ученых усомниться в классической космологической модели Вселенной, побудили их к поискам новых, непротиворечивых моделей.

Релятивистская модель Вселенной. Новая модель Вселенной была создана в 1917 г. А. Эйнштейном. Ее основу составили релятивистская теория тяготения, общая теория относительности. Альберт Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по мнению А. Эйнштейна, определяются распределением в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но замкнута в пространстве. Согласно этой модели, пространство однородно и изотропно, т. е. во всех направлениях имеет одинаковые свойства; материя распределена в нем равномерно; время бесконечно, его течение не влияет на свойства Вселенной. На основании своих расчетов А. Эйнштейн сделал вывод, что мировое пространство представляет собой четырехмерную сферу.

При этом не следует представлять себе данную модель Вселенной в виде обычной сферы. Сферическое пространство есть сфера, но сфера четырехмерная, не поддающаяся воображению. По аналогии можно сделать вывод, что объем такого пространства конечен, как конечна поверхность любого шара, которую можно выразить конечным числом квадратных сантиметров. Поверхность всякой четырехмерной сферы также выражается в конечном числе квадратных метров. Такое сферическое пространство не имеет границ, оно безгранично. В этом смысле поверхность любого шара безгранична, хотя и конечна, т. е. безграничность и бесконечность – разные понятия.

Итак, из расчетов А. Эйнштейна следовало, что наш мир является четырехмерной сферой. Объем такой Вселенной может быть выражен хотя и очень большим, но все же конечным числом кубометров. В принципе можно облететь всю замкнутую Вселенную, двигаясь все время в одном направлении. Такое воображаемое путешествие подобно земным кругосветным путешествиям. Но конечная по объему Вселенная в то же время безгранична, как не имеет границ поверхность любой сферы. Вселенная А. Эйнштейна содержит хотя и большое, но все же конечное число звезд и звездных систем, а поэтому к ней неприменимы фотометрический и гравитационный парадоксы. В то же время призрак «тепловой смерти» тяготеет и над Вселенной А. Эйнштейна. Такая Вселенная, конечная в пространстве, неизбежно идет к своему концу во времени. Вечность ей не присуща.

Таким образом, несмотря на новизну и даже революционность идей, А. Эйнштейн в своей космологической теории ориентировался на привычную классическую мировоззренческую установку статичности мира. Его более привлекал гармоничный и устойчивый мир, нежели мир противоречивый и неустойчивый.

Модель расширяющейся Вселенной. Модель Вселенной А. Эйнштейна стала первой космологической моделью, базирующейся на выводах из общей теории относительности. Это связано с тем, что именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях. Поэтому теоретическим ядром современной космологии выступает теория тяготения – общая теория относительности. Но А. Эйнштейн допускал в своей космологической модели наличие некой гипотетической отталкивающей силы, которая должна обеспечить стационарность, неизменность Вселенной. Последующее развитие естествознания внесло существенные коррективы в это представление.

Из теории относительности следовало, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или сжиматься, или расширяться. Первым на это обстоятельство обратил внимание советский физик и математик А.А. Фридман, который на основании строгих расчетов показал, что Вселенная А. Эйнштейна никак не может быть стационарной, неизменной. Эмпирическим подтверждением этого вывода стало открытие американским астрономом Э. Хабблом в 1929 г. так называемого красного смещения.

«Красное смещение» – это понижение частот электромагнитного излучения, когда в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Согласно обнаруженному ранее эффекту Доплера, при удалении от нас какого-либо источника колебаний воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении света происходит его покраснение, т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн. «Красное смещение» было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. По последним измерениям это увеличение скорости расширения составляет примерно 55 км/сек на каждый миллион парсек.

В результате своих наблюдений Э. Хаббл обосновал, что Вселенная – это мир галактик, что наша Галактика не единственная в ней и существует множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями. Вместе с тем Э. Хаббл пришел к выводу, что межгалактические расстояния не остаются постоянными, а увеличиваются. Таким образом, в естествознании появилась концепция расширяющейся Вселенной.

Опираясь на эффект «красного смещения», А.А. Фридман сформулировал свой космологический принцип. Он строится на двух предположениях – об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность подразумевает отсутствие выделенных направлений, одинаковость по всем направлениям. Однородность понимается как одинаковость всех точек Вселенной: мы можем проводить наблюдения в любой из этих точек и везде увидим изотропную Вселенную.

На основе космологического принципа А.А. Фридман доказал, что уравнения Эйнштейна имеют и другие, нестационарные решения, согласно которым Вселенная может либо расширяться, либо сжиматься. При этом речь шла о расширении самого пространства, т. е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.

Какое же будущее ждет нашу Вселенную? А.А. Фридман предложил три модели. В первой модели Вселенная расширяется медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками это расширение замедлялось и в конце концов прекращалось. Затем Вселенная начинала сжиматься, в этой модели пространство искривляется, замыкаясь на себя, образуя сферу. Во второй модели Вселенная расширялась бесконечно, пространство там искривлено как поверхность седла и при этом бесконечно. В третьей модели А. Фридмана пространство плоское и тоже бесконечное.

По какому из этих трех вариантов идет эволюция Вселенной, зависит от отношения гравитационной энергии к кинетической энергии разлетающегося вещества.

Если кинетическая энергия разлета вещества преобладает над гравитационной энергией, препятствующей разлету, то силы последней (тяготения) не остановят разбегания галактик и расширение Вселенной будет носить необратимый характер. Этот вариант динамичной модели Вселенной называют открытой Вселенной.

Если же преобладает гравитационное взаимодействие, то темп расширения со временем замедлится до полной остановки, после чего начнется сжатие вещества плоть до возврата Вселенной в исходное состояние сингулярности (точечный объем с бесконечно большой плотностью). Такой вариант модели назван осциллирующей – закрытой Вселенной.

В пограничном случае, когда силы гравитации точно равны энергии разлета вещества, расширение не прекратится, но его скорость со временем будет стремиться к нулю. Через несколько десятков миллиардов лет после начала расширения Вселенной наступит состояние, которое можно назвать квазистационарным. Теоретически возможна и пульсация Вселенной.

Наблюдаемое нами разбегание галактик есть следствие расширения пространства замкнутой конечной Вселенной. При таком расширении пространства все расстояния во Вселенной увеличиваются подобно тому, как растут расстояния между пылинками на поверхности раздувающегося мыльного пузыря. Каждую из таких пылинок, как и каждую из галактик, можно с полным правом считать центром расширения. Когда Э. Хаббл показал, что далекие галактики разбегаются друг от друга с возрастающей скоростью, был сделан однозначный вывод о том, что наша Вселенная расширяется. Но расширяющаяся Вселенная – это изменяющаяся Вселенная, это мир со всей своей историей, мир, имеющий начало и конец.

Модель однородной, изотропной, нестационарной (расширяющейся) Вселенной признана основной концепцией в современной космологии. Из нее следует представление о начале и конце Вселенной. Наиболее вероятным возрастом расширяющейся Вселенной ученые считают не менее 10 млрд и не более 19 млрд лет. Вероятное время существования расширяющейся Вселенной – 15 млрд лет, таков приблизительный возраст нашей Вселенной.