Развитие взглядов на строение Вселенной с древних времен до наших дней. Современная космологическая модель Вселенной

ПЛОСКИЙ МИР

Пло́ская Земля́ — устаревшая концепция, по которой Земля представляет собой плоский диск. Концепция плоской Земли присутствовала в космогонической мифологии некоторых народов древности, в частности, в раннем индуизме, буддизме и скандинавской мифологии. В результате развития астрономии и географии в Древней Греции была оставлена учёными. Однако в раннем Средневековье получила развитие в трудах представителей антиохийской богословской традиции и следовавшего им Козьмы Индикоплевста. Распространение древнегреческих астрономических и географических знаний в Западной Европе в позднем Средневековье привело к тому, что представление о шарообразости Земли не ставилось под сомнение образованными людьми и не встречало противодействия со стороны религиозных авторитетов. Таким образом, появившееся в XIX веке утверждение о том, что до великих географических открытий люди считали Землю плоской, не имеет серьёзных оснований. Однако на Руси концепция плоской Земли рассматривалась наравне с геоцентрической картиной мира вплоть до XVII века.

Системы мира

Системы мира, термин, употребляемый в астрономии для обозначения представлений о строении системы небесных тел — Земля, Луна, Солнце, планеты. Попытки создания С. м. предпринимались в Древней Греции уже в 6 в. до н. э. (Фалес, Анаксимандр, Анаксимен). Исторически наибольшее значение имела геоцентрическая С. м., разработанная древнегреческими учёными Аристотелем (4 в. до н. э.) и Птолемеем (2 в. н. э.), и гелиоцентрическая С. м. польского астронома Н. Коперника (1-я половина 16 в.).

В геоцентрической С. м., принимавшейся за истинную в течение около 2000 лет, нашёл яркое воплощение антропоцентризм в форме идеи о центральном положении Земли во Вселенной. В системе мира Аристотеля неподвижная Земля окружена снаружи семью "небесами", принадлежащими "планетам": Луне, Меркурию, Венере, Солнцу, Марсу, Юпитеру и Сатурну. Восьмое "небо" занимают звёзды. На девятом — находится "дух", или "первый двигатель", который каким-то непостижимым образом сообщает движение всем небесам. Для того чтобы объяснить довольно сложное видимое движение планет по небу, Аристотель использовал идею Евдокса Книдского (4 в. до н. э.) о системе концентрических вращающихся прозрачных сфер. Всего, согласно его взглядам, имелось 56 сфер. Эта сложность объяснения связана с тем, что движение планет Аристотель, следуя своему учителю Платону (5—4 вв. до н. э.), стремился воспроизвести как результат совершенно равномерного вращения нескольких вложенных друг в друга сфер. Взаимный наклон осей и скорости вращения сфер подбирались для каждой планеты отдельно.

Во 2 в. до н. э. Гиппарх заменил систему сфер системой эпициклов, идею о которых он заимствовал у Аполлония Пергского (около 200 до н. э.). Система мира Гиппарха была использована и получила законченное развитие в "Альмагесте" Птолемея. В теории эпициклов вместо вращающихся сфер введено равномерное движение планет по окружностям, называемым эпициклами. В то же время сами эпициклы предполагаются перемещающимися т. о., что их центры движутся по другим окружностям, т. н. деферентам. В большинстве случаев одного эпицикла оказывалось недостаточно для представления наблюдаемого сложного движения планет с удовлетворительной точностью и тогда вводился второй, третий и т. д. эпициклы. При этом считалось, что планета движется по последнему из них, а центр каждого эпицикла движется по окружности предыдущего. Углы наклона плоскостей деферентов и эпициклов, их относительные радиусы и угловые скорости перемещения по ним подбирались так, чтобы наилучшим образом описывать видимые движения планет по небу. В течение всего средневековья геоцентрическая С. м. провозглашалась католической церковью как единственно соответствующая христианскому вероучению. В средние века к первоначальным девяти небесным сферам прибавляли ещё одну или две сферы, самая крайняя из которых называется эмпиреем и объявлялась местопребыванием бога и "праведников".

Гелиоцентрическая С. м. создавалась в эпоху Возрождения и имела революционное значение для развития естествознания. Замечательный труд Н. Коперника "Об обращениях небесных сфер", в котором содержится изложение гелиоцентрическая С. м., был издан в 1543, и с этого времени начинается новая эра естествознания. Коперник опроверг учение о неподвижности Земли. В разработанной им С. м. показано, что Земля вместе с другими планетами (Меркурием, Венерой, Марсом и т. д.) обращается вокруг Солнца, являющегося центральным телом планетной системы. Естественное и простое объяснение получили сложные петлеобразные движения планет: наблюдаемые их перемещения по небу являются относительными движениями, которые мы наблюдаем с движущейся Земли. Таким образом, согласно этой С. м., Земля не является центром мироздания, она — лишь одна из планет. Учение Коперника нанесло решительный удар по антропоцентризму.

Одним из последователей учения Коперника был Дж. Бруно, который пришёл к правильному материалистическому выводу о бесконечности Вселенной и о том, что Солнце является центром лишь Солнечной системы, одного из бесчисленных миров, существующих во Вселенной. В конце 16 в. развернулась ожесточённая борьба передовой науки против геоцентризма, поддерживаемого христианской церковью. Бруно, обвинённый римской инквизицией в ереси, был сожжён на костре. Научные открытия Г. Галилея явились важной физической и философской аргументацией в пользу гелиоцентрической С. м. Его телескопические наблюдения подтвердили, что Солнце — это лишь одна из бесчисленного множества звёзд. В связи с этими открытиями, опровергавшими христианское учение, католическая церковь, не реагировавшая на книгу Коперника в 1-е десятилетия после её появления, в 1616 издала декрет инквизиции, по которому защита учения Коперника рассматривалась как проявление еретических воззрений. В 1632 против Галилея был возбуждён судебный процесс. Католическая церковь жестоко преследовала учёных, развивавших и распространявших гелиоцентрические С. м., направляла против сторонников новых представлений о Вселенной террор инквизиционных трибуналов.

После открытий, сделанных в 16—17 вв., вопрос о том, находится ли в центре Вселенной Земля или Солнце, по существу отпал. Было ясно, что Солнце — одна из звёзд и потому, так же, как и Земля, не может быть центром даже для сколько-нибудь большой группы звёзд. Вселенная же в силу своей бесконечности вообще не может иметь никакого центра. После детального выяснения строения Солнечной системы, в конце 18 в. было положено начало изучению строения Галактики, а в 20 в. благодаря развитию средств и методов астрономических наблюдений стали возможными исследования строения метагалактики. В связи с этим термин "С. м." стал иногда употребляться в новом, расширенном смысле, включающем представления об основных чертах строения этих объектов.

Теория о раздувающейся Вселенной

В настоящее время еще нет всесторонне проверенной и признанной всеми теории происхождения крупномасштабной структуры Вселенной, хотя ученые значительно продвинулись в понимании естественных путей ее формирования и эволюции. С 1981 года началась разработка физической теории раздувающейся (инфляционной) Вселенной. К настоящему времени физиками предложено несколько вариантов данной теории. Предполагается, что эволюция Вселенной, начавшаяся с грандиозного общекосмического катаклизма, именуемого «Большим Взрывом», в последующем сопровождалась неоднократной сменой режима расширения. Согласно предположениям ученых, спустя 10 в минус сорок третьей степени секунд после «Большого Взрыва» плотность сверхгорячей космической материи была очень высока (10 в 94 степени грамм/см кубический). Высока была и плотность вакуума, хотя по порядку величины она была гораздо меньше плотности обычной материи, а поэтому гравитационный эффект первобытной физической «пустоты» был незаметен. Однако в холе расширения Вселенной плотность и температура вещества падали, тогда как плотность вакуума оставалась неизменной. Это обстоятельство привело к резкому изменению физической ситуации уже спустя 10 в минус 35 степени секунды после «Большого Взрыва». Плотность вакуума сначала сравнивается, а затем, через несколько сверхмгновений космического времени, становится больше ее. Тогда и дает о себе знать гравитационный эффект вакуума - его силы отталкивания вновь берут верх над силами тяготения обычной материи, после чего Вселенная начинает расширяться в чрезвычайно быстром темпе (раздувается) и за бесконечно малую долю секунды достигает огромных размеров. Однако этот процесс ограничен во времени и пространстве. Вселенная, подобно любому расширяющемуся газу, сначала быстро остывает и уже в районе 10 в минус 33 степени секунды после «Большого Взрыва» сильно переохлаждается. В результате этого общевселенческого «похолодания» Вселенная от одной фаза переходит в другую.

Речь идет о фазовом переходе первого рода - скачкообразном изменении внутренней структуры космической материи и всех связанных с ней физических свойств и характеристик. На завершающей стадии этого космического фазового перехода весь энергетический запас вакуума превращается в тепловую энергию обычной материи, а в итоге вселенческая плазма вновь подогревается до первоначальной температуры, и соответственно происходит смена режима ее расширения.

Теория о пульсирующей Вселенной

Академик М.А. Марков выдвинул интересный вариант пульсирующей Вселенной. В логической рамке этой космологической модели старые теоретические трудности, если не решаются окончательно, то, по крайней мере, освещаются под новым перспективным углом зрения. Модель основана на гипотезе согласно которой при резком уменьшении расстояния константы всех физических взаимодействий стремятся к нулю. Данное предположение - следствие другого допущения, согласно которому константа гравитационного взаимодействия зависит от степени плотности вещества.

Согласно теории Маркова, всякий раз, когда Вселенная из фридмановской стадии (конечное сжатие) переходит в стадию деситтеровскую (начальное расширение), ее физико-геометрические характеристики оказываются одними и теми же. Марков считает, что этого условия вполне достаточно для преодоления классического затруднения на пути физической реализации вечно осциллирующей Вселенной. Что же ожидает нашу Вселенную в будущем, если она будет неограниченно расширяться? О процессе продолжающегося расширения нашей Вселенной свидетельствуют почти все данные наблюдений. По мере расширения пространства материя, становится все более разреженной, галактики и их скопления все более удаляются друг от друга, а температура фонового излучения приближается к абсолютному нулю. Со временем все звезды завершат свой жизненный цикл и превратятся либо в белых карликов, остывающих до состояния холодных черных карликов, либо в нейтронные звезды или черные дыры. Эра светящегося вещества закончится, и темные массы вещества, элементарные частицы и холодное излучение будут бессмысленно разлетаться в непрерывно разряжающейся пустоте. Впрочем, черные дыры не останутся без работы. Имея на то достаточно времени, черные дыры поглотят огромное количество вещества вселенной. Если теория Хокинга верна, то черные дыры будут продолжать испускать излучение, но черным дырам (с массой равной массе Солнца) потребуется очень длительное время, прежде чем это заметно изменит что-то. Фоновое излучение остынет гораздо раньше, чем черные дыры начнут излучать больше, чем они будут поглощать из этого фонового излучения. Такой момент настанет тогда, когда возраст Вселенной станет примерно в десять миллионов раз больше предполагаемого на сегодня Должно пройти около 10 66 лет, прежде чем черные дыры солнечной массы начнут взрываться, выбрасывая потоки частиц и излучения. Дж. Берроу из Оксфордского университета и Ф. Типлер из Калифорнийского университета в своих работах нарисовали картину отдаленного будущего неограниченно расширяющейся Вселенной. Даже внутри старой нейтронной звезды сохраняется еще достаточно энергии. Чтобы время от времени сообщать частицам, находящимся вблизи ее поверхности, скорость, превышающую скорость убегания. Предполагается, что в результате этого через достаточно продолжительное время все вещество нейтронной звезды должно испариться. Распадутся и черные дыры, вызвав рождение (в равных пропорциях) частиц и античастиц. По мнению Берроу и Типлера, если запас энергии во Вселенной достаточен только для того, чтобы обеспечить ее неограниченное расширение, то эффект электрического притяжения в электронно-позитронных парах перевесит и гравитационное притяжение и общее расширение Вселенной как целого. За определенное конечное время все электроны проаннигилируют со всеми позитронами. В конечном итоге последней стадии существующей материи окажутся не разлетающиеся холодные темные тела и черные дыры, а безбрежное море разреженного излучения, остывающего до конечной, повсюду одинаковой, температуры.

25. Гипотеза Большого взрыва, её современная интерпретация.

В 1948 г. выдающийся американский физик Г. Гамов выдвинул предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, происшедшего примерно 15 млрд. лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном крохотном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность равна бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью— точечный объем с бесконечной плотностью. Известные законы физики в сингулярности не работают. В этом состоянии теряют смысл понятия пространства и времени, поэтому бессмысленно спрашивать, где находилась эта точка. Также современная наука ничего не может сказать о причинах появления такого состояния.

Но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы. Они лежат в основе инфляционной модели развития Вселенной.

По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,7 ± 0,13 млрд лет назад из некоторого начального «сингулярного» состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно известным ограничениям по применимости современных физических теорий, наиболее ранним моментом, допускающим описание, считается момент Планковской эпохи. Ранняя Вселенная представляла собой высокооднородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам.

Приблизительно через несколько секунд после наступления Планковской эпохи фазовый переход вызвал расширение Вселенной. Данный период получил название Космической инфляции. После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. По прошествии времени температура упала до значений, при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая преобладала, так и антиматерии, которые превращались в античастицы, создавая в излучение.

Дальнейшее падение температуры привело к следующему фазовому переходу — образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме. После чего наступила эпоха HYPERLINK "http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D1%83%D0%BA%D0%BB%D0%B5%D0%BE%D1%81%D0%B8%D0%BD%D1%82%D0%B5%D0%B7"нуклеосинтеза, при которой протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов. После эры рекомбинации материя стала прозрачной для излучения, которое, свободно распространяясь в пространстве, дошло до нас в виде реликтового излучения.