На главную
Физика - одна из самых удивительных наук! Физика столь интенсивно развивается, что даже лучшие педагоги сталкиваются с большими трудностями, когда им надо рассказать о современной науке. Данный ресурс поможет эффективно и интересно изучать физику. Учите физику!
   

Обучение и материалы
Физический справочник
Формулы по физике
Шпаргалки по физике
Энциклопедия
Быстрый устный счет
Виртуальные лабораторные
Опыты по физике
ЕГЭ онлайн
Онлайн тестирование
Ученые физики
Необъяснимые явления
Ваша реклама на сайте
Разное
Контакты
Спецкурс
Фейнмановские лекции

В мире больших скоростей

Введение в теорию относительности

Лекции по биофизике
Лекции по ядерной физике
Ускорение времени...
Лазеры
Нанотехнологии
Книги
полезное
Смешные анекдоты о физике
Готовые шпоры по физике
Физика в жизни
Ученые и деньги
Нобелевские лауреаты
Фото
Видео
Карта сайта
На заметку
Если вам понравился сайт, предлагаем разместить нашу кнопку
Кнопка сайта All-fizika.com
Дополнительно
Тут будет больше информации.
Компьютерные программы
по физике
Программы по физике


Физика и юмор
Физика и юмор


Онлайн тестирование
по физике
Онлайн тестирование по физике



-









§ 21. Вопросы космологии

Великие открытия эпохи Возрождения, изобретение инструментов для наблюдения небесных явлений, познание фундаментальных законов природы впервые поставили на прочный научный фундамент космологию — учение о бесконечной вселенной как о связном, едином целом. Современная космология неотделима от физики; всякое крупное достижение в области физики неизбежно сказывается и в системе научных воззрений на строение вселенной. Существенное место занимает здесь и теория относительности. В настоящем параграфе мы коснемся некоторых относящихся сюда вопросов.
 
После открытия закона всемирного тяготения стало ясно, что именно ему принадлежит главная роль в объяснении закономерностей движения и развития известных нам звездных систем. Исследование галактической звездной системы, к которой принадлежит наше Солнце вместе с Землей и остальными планетами, а также других галактик, показали, что они движутся в соответствии с законом всемирного тяготения. Однако попытки применить этот закон ко всей вселенной в целом привели к очень серьезным трудностям.
 
Здесь прежде всего нужно оговориться. Мы не имеем, конечно, никакого права распространять закон всемирного тяготения на всю бесконечную вселенную. На любом историческом этапе нашим наблюдениям и исследованиям доступна лишь конечная ее область, которую всегда можно рассматривать как исчезающе малую, сколь ни велика бы она была по сравнению с привычными нам масштабами. Когда мы говорим о бесконечных областях пространства, мы имеем в виду в сущности лишь очень большие, в том или ином смысле, области. Ясно, что такое понимание бесконечности в высшей степени относительно; в атомной физике, например, расстояния в доли миллиметра спокойно можно считать бесконечными, со всеми вытекающими отсюда последствиями, например, в соответствующих математических формулах можно перейти к пределу. Точно так же обстоит дело и в космологических вопросах. Исследуя ту или иную модель вселенной, мы, по существу, имеем дело не со всей вселенной в целом, а лишь с достаточно большой ее частью, настолько большой, чтобы в соответствующих уравнениях можно было перейти к пределу. Такой предельный переход не всегда бывает законным и осмысленным; пренебрежение этим обстоятельством много раз приводило к различным парадоксам и даже целым ошибочным теориям (упомянем, например, теорию так называемой «тепловой   смерти»   вселенной).
 
Астрономические наблюдения показывают, что в известной нам области вселенной материя распределена в среднем равномерно — галактические звездные системы рассеяны в этой области без существенных скоплений и пустот. Можно попытаться построить модель вселенной, в которой плотность вещества всюду постоянна. Но если мы попытаемся применить к такой модели закон тяготения Ньютона, то получим парадоксальный вывод: в каждой точке пространства сила тяготения должна быть бесконечной или неопределенной.
 
Этот гравитационный парадокс показывает, что одно из наших исходных предположений неверно. Либо нельзя считать, что материя распределена в пространстве сколько-нибудь равномерно, либо неточен закон, согласно которому сила тяготения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.
 
Обе стороны этого вопроса были в свое время подвергнуты анализу. Сначала была выдвинута гипотеза о том, что вся исследованная область пространства представляет собой часть некоего «острова», заполненного материей и «плавающего» в бесконечном и абсолютно пустом пространстве. Эта модель вызвала ряд серьезных возражений и была скоро оставлена. Другая гипотеза носит более сложный характер. Она утверждает, что вселенная построена по определенной структуре — звезды группируются в галактики, галактики — в метагалактики и т. д. Если при этом массы и взаимные расстояния этих систем па каждой ступени удовлетворяют некоторым условиям, то гравитационный парадокс   исчезает.    Заметим,   что   такая   структура материи приводит к тому, что средняя плотность вещества во вселенной оказывается равной нулю, что заведомо  мало  вероятно.
 
С другой стороны, был подвергнут сомнению и закон всемирного тяготения. Оказалось, что если предположить, что сила тяготения убывает не по закону обратных квадратов, а несколько быстрее, то от гравитационного парадокса можно избавиться. Такая поправка вызывает появление в классическом уравнении потенциала некоторого добавочного члена — так называемого   космологического  члена.


Создание общей теории относительности, изменившей закон всемирного тяготения и связавшей его с геометрией пространства, направило эти исследования по новому пути. Правда, от гравитационного парадокса удалось избавиться не сразу. Эйнштейн показал, что при тех же самых предположениях о равномерном распределении материи он снова возникает. И вначале Эйнштейн не нашел ничего лучшего, как добавить к своим уравнениям космологический член. Тогда удалось найти строгое решение уравнений тяготения, отвечающее равномерному распределению материи. При этом, естественно, получилась определенная геометрия пространства. Она оказалась в высшей степени своеобразной — получилось, что пространство «замкнуто в себе», наподобие сферы. Вселенная получилась безграничной, но не бесконечной. Объем всего пространства получился равным вполне определенной конечной величине, так же как и общая масса содержащейся в нем материи.
 
Такое решение космологической проблемы встретило много обоснованных возражений. Введение космологического члена не может быть оправдано никакими физическими соображениями и приводит к новым трудностям. «Замкнутость» мира вызывает принципиальные   возражения.
 
В 1922 году ленинградский математик Фридман сумел найти решение уравнений тяготения Эйнштейна без всякого космологического члена, причем никакого гравитационного парадокса не получилось. Фридман по-прежнему исходил из предположения о равномерном распределении материи, но, в отличие от всех предыдущих исследователей, он допустил, что средняя плотность материи во всем пространстве меняется со временем. Это можно представить следующим образом. Вообразим себе, что все звездные скопления стягиваются друг к другу или, наоборот, «разбегаются» друг от друга. Это вовсе не означает, что в пространстве должен существовать какой-то центр сжатия или расширения. Сжатие или расширение может происходить совершенно равномерно сразу во всем пространстве, так что центром может служить произвольная точка. Дело сводится к взаимному сближению или удалению звездных систем. При этом размеры каждой отдельной галактики остаются неизменными; будет возрастать или убывать средняя плотность   вещества   в пространстве.
 
Фридман доказал, что при таком предположении о распределении и движении материи уравнения Эйнштейна допускают строгое решение; при этом плотность может как возрастать, так и убывать. По существу, результат Фридмана означает, что большая область пространства, равномерно заполненная материей, не может находиться    в    равновесии.
 
В 1929 году американский астроном Хаббл в результате тщательного исследования спектров галактик обнаружил, что их линии сдвинуты к красному концу. При этом сдвиг оказывался тем больше, чем дальше от нас расположена галактика. Этот эффект получил название красного смещения (его не следует, конечно, смешивать с гравитационным красным смещением). Ныне этот факт установлен настолько, что служит одним из надежнейших средств измерения расстояния до звездной системы. Чем же объяснить это явление? Самое простое — допустить, что оно вызвано эффектом Доплера. Тогда получается, что все галактики от нас удаляются; при этом скорость удаления тем больше, чем больше расстояние до галактики. В целом получается, что все галактические системы взаимно «разбегаются». Тем самым результаты Фридмана получают неожиданное подтверждение.
 
Так возникла знаменитая теория расширяющейся вселенной. Если взять решение уравнений тяготения, которое соответствует расширению, т. е. убыванию средней плотности, то оно приводит к существованию в прошлом момента, когда вся материя была «стянута» в одну точку. Не следует, однако, забывать, что основное предположение Фридмана — о равномерном распределении материи — выполняется в действительности лишь приближенно. Если в настоящее время мы его можем с известной степенью точности принять, то раньше, когда плотность была гораздо больше, все неоднородности в распределении материи выступали значительно резче, а потому решение Фридмана здесь уже теряет всякую силу. Самое большее, что мы можем утверждать — это то, что в прошлом, примерно 3—5 миллиардов лет тому назад, физические условия в известной нам части вселенной сильно отличались от современных; в частности, средняя плотность материи была тогда значительно выше, чем сейчас.
 
Какова будет геометрия пространства, если считать, что решение Фридмана соответствует действительности? Оказывается, что она зависит от величины средней плотности. Если плотность относительно велика, то «кривизна» пространства в некотором смысле сходна с кривизной сферы; в противном случае она подобна кривизне псевдосферы (см. рис. 2). К сожалению, точность оценок средней плотности материи в космических масштабах еще не позволяет сделать определенный выбор между этими двумя возможностями. При этом не следует забывать, что, во-первых, вся рассматриваемая теория может относиться к большим, но все же конечным областям пространства. Поэтому даже случай сферической кривизны не означает «замкнутости» мира в целом, он может свидетельствовать лишь о существовании в пространстве своего рода «выпуклости», за пределами которой оно может быть «искривлено» совсем по-другому. Во-вторых, речь идет о средней кривизне пространства — вблизи крупных небесных тел пространство получает дополнительное местное искривление, так что решение Фридмана дает своего рода «фон», геометрию пространства «в общем». Интересно, что во втором случае псевдосферической кривизны геометрия пространства получается в точности совпадающей с геометрией Лобачевского. В свое время Лобачевский пытался с помощью астрономических измерений обнаружить отклонения от евклидовой геометрии. Попытка эта не удалась из-за недостаточной точности измерительных приборов. Как видим, он в известном смысле был на правильном пути.
 
Все эти замечательные результаты послужили за рубежом поводом к появлению многих откровенно идеалистических «теорий» происхождения вселенной. Игнорируя приближенный характер результатов Фридмана и незаконность распространения их на всю бесконечную вселенную, ряд ученых (и псевдоученых) заговорили о том, что наука будто бы «доказала» происхождение всей вселенной чуть ли не из одного единственного атома. Следующий шаг — божественный акт творения — сделать после этого нетрудно. Отсутствие достаточно точных и надежных данных о распределении и движении материи в больших областях вселенной эти «ученые» подменяют совершенно произвольными гипотезами, позволяющими сделать при желании любые выводы. Существует, например, «теория», согласно которой бог и поныне творит из ничего материю. Впрочем, нет нужды перечислять все эти домыслы — к настоящей науке они не имеют никакого отношения.
 
Вполне понятно, что эти реакционные антинаучные «теории» встретили резкий отпор со стороны передовых ученых как в Советском Союзе, так и за рубежом. Развернувшаяся в этой области борьба и поныне не может считаться завершенной. Она представляет собой не что иное, как один из этапов извечной борьбы между материалистическим и идеалистическим мировоззрениями. Некоторые разновидности философского идеализма за рубежом еще довольно распространены, и нашим ученым предстоит немало схваток на этом поприще.
 
К сожалению, критика необоснованных выводов из результатов Фридмана и Хаббла вылилась в ряде случаев в голое отрицание теории относительности. Некоторые авторы, не давая себе труда как следует разобраться в этом вопросе и отделить реальные научные результаты от произвольных вымыслов, пошли по линии наименьшего сопротивления — они окрестили общую теорию относительности «реакционным эйнштейнианством», зачеркнули одним взмахом пера все ее достижения, полагая, что таким образом все антинаучные домыслы о «творении» искореняются наиболее радикально. Ясно, что такой «метод» дискуссии никак нельзя признать научным.
 
В вопросе о строении вселенной в нашем распоряжении имеются два главных опытных факта — приблизительно равномерное распределение звездных систем в известной нам части мирового пространства и красное смещение в спектрах этих систем. Теория относительности устанавливает тесную связь между этими фактами, она выводит второй из первого. Это обстоятельство является весьма сильной ее стороной; никакая другая теория в этом отношении с ней пока что конкурировать не может.
 
Большинство противников идеи «расширяющейся вселенной» стремится объяснить красное смещение не реальным «разбеганием» звездных систем, а другими физическими причинами. Эти попытки основаны главным образом на установленной квантовой физикой связи между энергией Е светового кванта и его частотой ω:
 
E = hω

Здесь h — так называемая постоянная Планка, равная 1,05*10-27 эрг*сек. Эта формула показывает, что с уменьшением энергии светового кванта уменьшается и его частота. А это и значит, что квант «краснеет», «смещается» в красную сторону спектра. Однако современной физике неизвестны процессы, при которых изменение энергии светового кванта не сопровождалось бы его рассеянием, т. е. отклонением от первоначального направления. Если относить красное смещение за счет потери энергии, то получается, что далекие галактики должны быть видны в телескоп совсем не так резко, как это на самом деле наблюдается.
 
С другой стороны, световые кванты путешествуют от отдаленных галактик до Земли сотни миллионов лет, тогда как в лабораторных условиях мы можем наблюдать их в лучшем случае в течение тысячных долей секунды. Не исключено, что существуют неизвестные нам крайне слабые эффекты, способные в течение столь больших промежутков времени заметно уменьшить энергию кванта без его отклонения.
 
Следует все же признать, что «разбегание» галактик является в настоящее время наиболее правдоподобным объяснением красного смещения. С этой точки зрения красное смещение можно в известном смысле рассматривать как еще одно опытное подтверждение выводов общей теории относительности.




Социальные комментарии Cackle


 
 
© All-Физика, 2009-2016
При использовании материалов сайта ссылка на www.all-fizika.com обязательна.