Космологические модели вселенной

КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВСЕЛЕННОЙ

ЧТО ТАКОЕ КОСМОЛОГИЯ?

Современная космология - это астрофизическая теория структуры и динамики изменения Метагалактики, включаю­щая в себя и определенное понимание свойств всей Вселенной. Космология основывается на астрономических наблюдениях Галактики и других звездных систем, общей теории относи­тельности, физике микропроцессов и высоких плотностей энергии, релятивистской термодинамике и ряде других новей­ших физических теорий.

Данное определение космологии берет в качестве предмета этой науки только Метагалактику. Это связано с тем, что все данные, которыми располагает современная наука, относятся только к конечной системе - Метагалактике, и ученые не уве­рены, что при простой экстраполяции свойств этой Метага­лактики на всю Вселенную будут получены истинные резуль­таты. При этом, безусловно, суждения о свойствах всей Все­ленной являются необходимой составной частью космологии. Космология сегодня является фундаментальной наукой. И она больше, чем какая-либо другая фундаментальная наука, связана с различными философскими концепциями, по-разному по­нимающими устройство мира.

Космология берет свое начало в представлениях древних, в частности в древнегреческой мифологии, где очень подробно и достаточно систематизирование рассказывается о сотворении мира и его устройстве. Впрочем, мифология любого народа, достаточно развитого для того, чтобы создавать космологиче­ские мифы, может похвастаться не менее интересными идеями. И это не случайно. Огромный мир вокруг нас всегда волновал человека. Он с давних времен старался понять, как устроен этот мир, что такое в этом мире Солнце, звезды, планеты, как они возникли. Это - из разряда тех вопросов, которые принято называть «вечными», человек никогда не перестанет искать ответа на них.

После того как появилась философия, пришедшая вместе с наукой на смену мифологии, ответ на эти вопросы стали искать в основном в рамках философских концепций, причем почти каждый философ считал своим долгом затронуть их.

Общепризнанным итогом античной космологии стала геоцен­трическая концепция Птолемея, просуществовавшая в течение всего Средневековья.

С приходом Нового времени философия уступила свое пер­венство в создании космологических моделей науке, которая добилась особенно больших успехов в XX веке, перейдя от различных догадок в этой области к достаточно обоснован­ным фактам, гипотезам и теориям. При этом далеко не все ученые согласны с вышеприведенным определением космоло­гии, многие считают ее учением о Вселенной в целом, то есть учением обо всем, что существует.

Отвечая на закономерный вопрос, откуда мы можем знать, что происходит в масштабах Вселенной, они исходили из очень популярной методологической установки, предпола­гающей, что на разных уровнях существования природы по­вторяются одни и те же законы, одно и то же устройство мате­риальных систем. Различия могут быть лишь в масштабах. Такова, например, космология Фурнье Дальба, английского физика, появившаяся в 1911 году. Его Вселенная чем-то похо­жа на матрешку:'Вселенные существуют одна в другой, мень­шие внутри больших, и в их устройстве проявляются одни и те же правила. К этому времени уже были открыты первые эле­ментарные частицы и создана планетарная модель атома. Так почему было не предположить, что ядро атома - это солнце, а электроны - планеты, на которых даже могут жить люди. И где гарантия, что наш мир не является такой же элементарной частицей для Мегамира.

Тем не менее, несмотря на всю грандиозность этой идеи, Вселенная, устроенная по этому принципу, достаточно скучна и однообразна. В таком случае она представляет собой беско­нечную совокупность одинаковых предметов.

Реальная природа куда сложнее и многообразнее. Переход от одних масштабов к другим, если этот переход достаточно велик, сопровождается и коренными качественными измене­ниями. Микромир, о котором мы уже говорили, оказался совсем не похожим на то, что, изучают астрономы. Что же каса­ется Мегамира, несмотря на естественную ограниченность наших размеров и знаний, есть все основания утверждать, что с переходом к космическим масштабам нам нередко приходится встречаться с чем-то принципиально новым, неведомым в зем­ной человеческой практике.

НАЧАЛО НАУЧНОЙ КОСМОЛОГИИ

Основателем научной космологии считается Николай Коперник, который поместил Солнце в центр Вселенной и низвел Землю до положения рядовой планеты Солнечной системы. Конечно, он был весьма далек от правильного понимания устройства мира. Так, по его убеждению, за орбитами пяти из­вестных в то время планет располагалась сфера неподвижных -звезд. Звезды на этой сфере считались равноудаленными от Солнца, а природа их была неясной. Коперник не видел в них тел, подобных Солнцу, и, будучи служителем церкви, склонял­ся к мнению, что за сферой неподвижных звезд находится «эмпирей», или «жилище блаженных» - обитель сверхъестест­венных тел и существ.

В одном Коперник был твердо уверен - радиус сферы не­подвижных звезд должен был быть очень велик. Иначе было бы трудно объяснять, почему с движущейся вокруг Солнца Земли звезды кажутся неподвижными.

Поставьте перед лицом указательный палец и посмотрите на него попеременно то правым, то левым глазом - палец бу­дет смещаться па фоне более далеких предметов, например, стены. Такое кажущееся смещение предмета при изменении по­зиции наблюдателя называется параллактическим смещением. Расстояние между крайними точками наблюдения называется базисом. Чем больше базис, тем больше и параллактическое смещение. Чем дальше от нас наблюдаемый предмет, тем меньше параллактическое смещение. Отодвиньте палец от ли­ца и вы легко в этом убедитесь.

Хотя расстояние от Земли до Солнца во времена Коперни­ка в точности не было известно, многие факты говорили о том, что оно весьма велико. Казалось бы, при этом звезды должны описывать на небе маленькие окружности - своеобразное от­ражение действительного обращения Земли вокруг Солнца. Но такие параллактические смещения звезд явно отсутствовали, из чего Коперник и сделал вывод о колоссальных размерах сферы неподвижных звезд.

Вселенная по Копернику - мир в скорлупе. В этой модели легко найти немало пережитков средневекового мировоззре­ния. Но прошло всего несколько десятилетий, и Джордано Бруно разбил коперниковскую «скорлупу» неподвижных звезд.

Д. Бруно считал звезды далекими солнцами, согревающими бесчисленные планеты других планетных систем. Бруно считал

глупцом того, кто мог думать, что могучие и великолепные мировые системы, заключающиеся в беспредельном пространстве, лишены живых существ. Так прозвучала беспредельно смелая по тем временам мысль о пространственной бесконеч­ности Вселенной. Он считал, что Вселенная бесконечна, что существует бесчисленное число миров, подобных миру Земли. Он полагал, что 3,емля есть светило, и что ей подобны Луна и другие светила, число которых бесконечно, и что все эти не­бесные тела образуют бесконечность миров. Он представлял себе бесконечную Вселенную, заключающую в себе бесконеч­ное множество миров.

Идеи Бруно намного обогнали его век. Но он не мог привес­ти ни одного факта, который бы подтверждал его космологию -космологию бесконечной, вечной и населенной Вселенной.

Прошло всего десятилетие, и Галилео Галилей в изобре­тенный им телескоп увидел в небе то, что до сих пор остава­лось скрытым для невооруженного глаза. Горы на Луне на­глядно доказывали, что Луна и в самом деле есть мир, похо­жий на Землю. Спутники Юпитера, кружащиеся вокруг величайшей из планет, походили на наглядное подобие Солнечной системы. Смена фаз Венеры не оставляла сомнений в том, что эта освещенная Солнцем планета действительно обращается вокруг него. Наконец, множество невидимых глазом звезд и особенно удивительная звездная россыпь, составляющая Млечный путь, - разве все это не подтверждало учение Бруно о бесчисленных солнцах и землях? С другой стороны, темные пятна, увиденные Галилеем на Солнце, опровергали учение Аристотеля и других древних философов о неприкосновенной чистоте небес. Небесные тела оказались похожими на Землю, и это сходство земного и небесного заставляло постепенно отка­заться от ошибочного представления о Солнце как центре все­го Мироздания.

Современник и друг Галилея, Иоганн Кеплер, уточнил за­коны движения планет, а великий Исаак Ньютон доказал, что все тела во Вселенной независимо от размеров, химического состава, строения и других свойств взаимно тяготеют друг к другу. Космология Ньютона вместе с успехами астрономии XVIII и XIX веков определила то мировоззрение, которое ино­гда называют классическим. Оно стало итогом начального этапа развития научной космологии.

Эта классическая модель достаточно проста и понятна. Вселенная считается бесконечной в пространстве и во 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 и играет пассивную роль вместилища для этих 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. И на смену по­гибшим, точнее, погасшим звездам вспыхивают новые, моло­дые светила. Хотя детали возникновения и гибели небесных тел оставались неясными, в основном эта модель казалась стройной и логически непротиворечивой. В таком виде эта классическая модель господствовала в науке вплоть до начала

XX века.

Бесконечности Вселенной в пространстве гармонично со­ответствовала ее вечность во времени. Ныне, миллиард лет на­зад, миллиарды лет в будущем она останется, в сущности, од­ной и той же. Неизменность космоса как бы подчеркивала бренность, непостоянство всего земного.

КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАДОКСЫ

Первая брешь в этой спокойной классической космологии была пробита еще в XVIII в. В 1744 г. астроном Р. Шезо, извест­ный открытием необычной «пятихвостой» кометы, высказал со­мнение в пространственной бесконечности Вселенной. В ту пору о существовании звездных систем и не подозревали, поэтому рас­суждения Шезо касались только звезд.

Если предположить, утверждал Шезо, что в бесконечной Вселенной существует бесчисленное множество звезд и они распределены в пространстве равномерно, то тогда по любому направлению взгляд земного наблюдателя непременно наты­кался бы на какую-нибудь звезду. Легко подсчитать, что небо­свод, сплошь усеянный звездами, имел бы такую поверхност­ную яркость, что даже Солнце на его Фоне казалось бы черным пятном. Независимо от Шезо в 1823 г. 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 бесконечность Вселенной.

Устранить этот парадокс ученые пытались различными пу­тями. Можно было допустить, например, что звезды распреде­лены в пространстве неравномерно. Но тогда в некоторых на­правлениях на звездном небе было бы видно мало звезд, а в других, если звезд бесчисленное множество, их совокупная яркость создавала бы бесконечно яркие пятна, чего, как извест­но,.нет.

Когда открыли, что межзвездное пространство не пусто, а заполнено разреженными газово-пылевыми облаками, неко­торые ученые стали считать, что такие облака, поглощая свет звезд, делают из невидимыми для нас. Однако в 1938 г. ака­демик В. Г. Фесенков доказал, что, поглотив свет звезд, газо-во-пылевые туманности вновь переизлучают поглощенную ими энергию, а это не избавляет нас от. фотометрического парадокса.

В конце XIX в. немецкий астроном К. Зеелигер обратил внимание и на другой парадокс, неизбежно вытекающий 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 па дан­ное чело оказывается бесконечно большой или неопределен­ной. Результат зависит от способа вычисления, причем отно­сительные скорости небесных тел могли быть бесконечно большими. Так как ничего похожего в космосе не наблюдает­ся, Зеелигер сделал вывод, что количество небесных тел огра­ничено, а значит, Вселенная не бесконечна.

Эти космологические парадоксы оставались неразрешен­ными до двадцатых годов нашего столетия, когда на смену классической космологии пришла теория конечной и расши­ряющейся Вселенной.

Мы уже говорили о началах термодинамики и некоторых выводах из них. Мир полон энергии, которая подчиняется важнейшему закону природы - закону сохранения энергии. При всех своих превращениях из одного вида в другой энергия не исчезает и не возникает из ничего. Общее количество энер­гии остается постоянным. Казалось бы, из этого закона неиз­бежно вытекает 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,и 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 прошлом веке почти всеобщим.

Тем неожиданнее прозвучал вывод из второго закона тер­модинамики, открытого в прошлом веке англичанином У. Кельвином и немецким физиком Р. Клаузиусом. При всех превращениях различные виды энергии в конечном счете пере­ходят в тепло, которое, будучи предоставлено себе, стремится к состоянию термодинамического равновесия, то есть рассеи­вается в пространстве. Так как такой процесс рассеяния тепла необратим, то рано или поздно все звезды погаснут, псе актив­ные процессы в Природе прекратятся и Вселенная превратится в мрачное замерзшее кладбище. Наступит «тепловая смерть

Вселенной».

Ошеломляющее впечатление, произведенное на естествоис­пытателей прошлого века вторым началом термодинамики, было особенно сильно еще и потому, что вокруг себя, в окру­жающей нас Природе они не видели фактов, его опровергаю­щих. Наоборот, все, казалось, подтверждало мрачные прогнозы Клаузиуса.

Конечно, есть в Природе и антиэнтропийные процессы, при которых беспорядок, а значит, и энтропия уменьшаются. Таковы процессы, происходящие в органическом мире, в чело­веческой деятельности. Но при более глубоком рассмотрении ситуации всегда оказывается, что уменьшение беспорядка в одном месте неизбежно сопровождается его увеличением в другом. Более того, возникший по вине человека беспорядок значительно превышает тот порядок, который он внес в При­роду, так что в конечном счете энтропия и тут продолжает расти.Встать на позицию Клаузнуса - это значитпризнать,чтоВселенная 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 так как этого нет, то, по убеждению Клаузиуса и многих других его современников, Вселенная была сотворена сравнительно недавно. А в будущем, если не случится какое-нибудь чудо. Вселенную ждет тепловая смерть.