Нестационарная вселенная фридмана реферат

Обновлено: 30.06.2024

Эйнштейновская модель стационарной Вселенной была опровергнута в работах русского ученого А. Фридмана, который в 1922 г. показал, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно либо расширяться, либо сжиматься. Возможны три различных модели изменения радиуса кривизны Вселенной, зависящие от средней плотности вещества в ней, причем в двух из них Вселенная бесконечно расширяется, а в третьей – радиус кривизны периодически изменяется (Вселенная пульсирует).

Содержание

1.История открытия
2.Фридмановские модели Вселенной: геометрия
3. Фридмановские модели Вселенной: динамика

Работа состоит из 1 файл

контрольная КСЕ.doc

Введение

Во фридмановской модели Вселенной все галактики удаляются друг от друга. Это напоминает расползание цветных пятен на поверхности надуваемого воздушного шара. С ростом размеров шара увеличиваются и расстояния между любыми двумя пятнами, но при этом ни одно из пятен нельзя считать центром расширения. Более того, если радиус воздушного шара постоянно растет, то чем дальше друг от друга находятся пятна на его поверхности, тем быстрее они будут удаляться при расширении. Допустим, что радиус воздушного шара удваивается каждую секунду. Тогда два пятна, разделенные первоначально расстоянием в один сантиметр, через секунду окажутся уже на расстоянии двух сантиметров друг от друга (если измерять вдоль поверхности воздушного шара), так что их относительная скорость составит один сантиметр в секунду. С другой стороны, пара пятен, которые были отделены десятью сантиметрами, через секунду после начала расширения разойдутся на двадцать сантиметров, так что их относительная скорость будет десять сантиметров в секунду (рис. 19). Точно так же в модели Фридмана скорость, с которой любые две галактики удаляются друг от друга, пропорциональна расстоянию между ними. Тем самым модель предсказывает, что красное смещение галактики должно быть прямо пропорционально ее удаленности от нас — это та самая зависимость, которую позднее обнаружил Хаббл. Хотя Фридману удалось предложить удачную модель и предвосхитить результаты наблюдений Хаббла, его работа оставалась почти неизвестной на Западе, пока в 1935 г . аналогичная модель не была предложена американским физиком Говардом Робертсоном и британским математиком Артуром Уокером уже по следам открытого Хабблом расширения Вселенной.

Отношение средней плотности вселенной к критичес кой обозначается .

Существуют три космологические модели , зависящие от , по имени их создателя названные фридмановскими . В этих моделях не учитывается энергия вакуума ( космологическая постоянная ).

Фридмановская модель , . Расширение вселенной будет вечным, причём скорости галактик никогда не будут стремиться к нулю. Пространство в такой модели — бесконечное, имеет отрицательную кривизну, описывается геометрией Лобачевского . Через каждую точку такого пространства можно провести бесконечное множество прямых, параллельных данной, сумма углов треугольника меньше 180°, отношение длины окружности к радиусу больше 2π.
Фридмановская модель , . Расширение вселенной будет вечным, но в бесконечности его скорость будет стремиться к нулю. Пространство в такой модели — бесконечное, плоское, описывается геометрией Евклида .
Фридмановская модель , . Расширение вселенной сменится сжатием, коллапсом и закончится тем, что вселенная сожмётся в сингулярную точку ( Большое сжатие ). Пространство в такой модели — конечное, имеет положительную кривизну, по форме представляет собой трёхмерную гиперсферу, описывается сферической геометрией Римана. В таком пространстве нет параллельных прямых, сумма углов треугольника больше 180°, отношение длины окружности к радиусу меньше 2π.

По современным данным [1] .

1.История открытия

Решение Фридмана было опубликовано в авторитетном физическом журнале Zeitschrift für Physik в 1922 и 1924 (для Вселенной с отрицательной кривизной) Решение Фридмана было вначале отрицательно воспринято Эйнштейном (который предполагал стационарность Вселенной и даже ввёл с целью обеспечения стационарности в полевые уравнения общей теории относительности так называемый лямбда-член ), однако затем он признал правоту Фридмана. Тем не менее, работы Фридмана (умершего в 1925 ) остались вначале незамеченными.

Нестационарность Вселенной была подтверждена открытием зависимости красного смещения галактик от расстояния ( Эдвин Хаббл , 1929 ). Независимо от Фридмана, описываемую модель позднее разрабатывали Леметр (1927), Робертсон и Уокер (1935), поэтому решение полевых уравнений Эйнштейна , описывающее однородную изотропную Вселенную с постоянной кривизной, называют моделью Фридмана-Леметра-Робертсона- Уокера. Эйнштейн не раз подтверждал, что начало теории расширяющейся Вселенной положил А. А. Фридман.

В творчестве А. А. Фридмана работы по теории относительности могли бы на первый взгляд показаться довольно внезапными. Ранее в основном он работал в области теоретической гидромеханики и динамической метеорологии.

И, наконец, главным результатом работы Фридмана в области общей теории относительности стала космологическая нестационарная модель, носящая теперь его имя.

Первая модель расширяющейся Вселенной, согласующейся с общей теорией относительности Эйнштейна и наблюдениями Э. Хабблом красного смещения, была предложена советским физиком и математиком А. А. Фридманом в 1922 г. Согласно фридмановской модели и ее последующим обобщениям, Вселенная одинакова в каждой точке пространства и во всех направлениях. Ясно, что в сравнительно малых объемах космического пространства имеются неоднородности, связанные, например, с существованием Земли и Солнца или с тем фактом, что в направлении центра нашей галактики наблюдается гораздо больше звезд, чем в других направлениях.

В той фридмановской модели, где Вселенная со временем начнет сжиматься, пространство конечно, но не имеет границ, как и в эйнштейновской модели. В двух других фридмановских моделях Вселенная расширяется вечно, в пространство бесконечно.

Сингулярности – это такие точки, где кривизна пространства-времени становится бесконечной и сами понятия пространства и времени теряют всякий смысл.

2.Фридмановские модели Вселенной: геометрия

Расширение Вселенной в настоящее время интерпретируется не как движение галактик в пространстве, а как расширение самого пространства, к которому галактики как бы "приклеены". Дело в том, что пространство, согласно общей теории относительности А.Эйнштейна (общая теория относительности), это не ничто, лишенное каких-либо качеств; у пространства как такового есть свои свойства. Главное из этих свойств — так называемая кривизна. В космологии используется два понятия: кривизна пространства-времени и кривизна пространства. Согласно общей теории относительности, кривизна пространства-времени обусловлена материей, и радиус кривизны пространства-времени тем больше, чем выше плотность. В отличие от кривизны пространства-времени, кривизна пространства может быть нулевой. По определению, ненулевая кривизна пространства означает, что в нем не выполняются некоторые аксиомы и теоремы евклидовой геометрии. Например, в искривленном пространстве сумма углов треугольника не равна 180°, отношение длины окружности к ее радиусу не равно 2π, сумма квадратов катетов прямоугольного треугольника не равна квадрату гипотенузы, и т.д. Отклонение свойств пространства от евклидового (плоского) характеризуется величиной, называемой "радиусом кривизны пространства” (R). Чем больше эта величина, тем меньше кривизна, тем ближе свойства пространства к евклидовому, тем менее оно искривлено. Радиус кривизны пространства меняется пропорционально масштабному фактору. Радиус кривизны евклидова пространства формально равен бесконечности.

Согласно, кривизна пространства обусловлена наличием материи. Чем больше плотность материи, тем больше кривизна (т.е. радиус кривизны меньше). Основное утверждение общей теории относительности можно сформулировать так: материя говорит пространству, как ему искривляться, пространство говорит материи, как ей двигаться. Пространство и материя — это как бы единая субстанция; галактики “прикреплены” к пространству Вселенной, пространство “прикреплено” к галактикам. По этой причине радиус кривизны пространства меняется по такому же закону, как расстояние между галактиками в расширяющейся Вселенной.

Модели Фридмана различаются между собой не только поведением во времени, но и геометрическими свойствами пространства. Только лишь в модели II (Ω=1) оно "плоское", описывается геометрией Евклида. В модели I пространство Вселенной подчиняется геометрии Лобачевского. Такое пространство называется пространством постоянной отрицательной кривизны. В нем через каждую точку пространства можно провести бесконечное множество прямых, параллельных данной, сумма углов треугольника меньше 180°, отношение длины окружности к радиусу больше 2π. Двумерным аналогом пространства Лобачевского является так называемая псевдосфера — поверхность, каждый элемент которой напоминает по форме седло (рис. 4.4.1, слева). Плоский лист бумаги невозможно расстелить по такой седловидной поверхности без образования многочисленных разрывов. Это связано с тем, что площадь круглого участка псевдосферы больше πR 2 . Аналогично, объем пространства, заключенного внутри шара радиусом r в пространстве Лобачевского, больше объема шара евклидова пространства такого же радиуса.

Краткая биография советского математика, физика и создателя теории нестационарной вселенной А.А. Фридмана, учеба в гимназии и поступление в Петербургский университет. Труды Фридмана по теории атмосферных вихрей, вертикальных воздушных течений и др.

Рубрика	Астрономия и космонавтика
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	14.12.2015
Размер файла	20,8 K

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Содержание

1. Александр Фридман. Краткая биография

2. Работы А.А Фридмана. Влияние его трудов на представления о вселенной

Введение

С давних времен человечество пыталось понять каков мир, в котором они живут, на сколько он велик, что есть мир. В погоне за пониманием природы пространства в котором обитает человек, было создано множество разных теорий, концепций, предположений, но по истине близко к ответу наша цивилизация подошла лишь к 20 веку.

Благодаря работам многих ученных того времени мы смогли получить ответы на многие вопросы о сущности мира, в некоторой степени его природы. Мы смогли найти ответы на многие вопросы, но эти ответы породили другую массу вопросов, на которые нам необходимо было найти ответ.

ОТО (Общая теория относительности) созданная А. Эйнштейном дала нам представление и частичное понимание нашего мира, пространства в котором мы живем, времени, которое неумолимо стремится вперед, но даже Эйнштейн не до конца представлял той величины, той сложности и объемности коей обладает Вселенная.

Но был один человек, который смог осмыслить, понять и осознать эту величину, тот человек, который предсказал расширение Вселенной. Его имя: Александр Александрович Фридман.

1. Александр Фридман. Краткая биография

«Если бы открыл звезду я,

Леонид Мартынов [1]

Александр Александрович Фридман - один из основателей современной теории турбулентности и советской школы динамической метеорологии, автор важных работ по теории относительности, математике и теоретической механике.

Родился 16 июня 1888 года в Санкт-Петербурге в семье выпускника Санкт-Петербургской консерватории (в ту пору студента и артиста балетной труппы), композитора Александра Александровича Фридмана (1866--1909) и преподавателя игры на фортепиано (в ту пору тоже студентки консерватории) Людмилы Игнатьевны Фридман (урожд. Воячек, 1869--1953). Дед по материнской линии, Игнатий Каспарович Воячек (1825--1916), состоял органистом и дирижёром Императорского Мариинского театра.

В 1897 году, когда будущему учёному было 9 лет, родители расстались и в дальнейшем он воспитывался в новой семье отца, а также в семьях деда -- лекарского помощника Придворного медицинского округа и губернского секретаря Александра Ивановича Фридмана (1839--1910) и тёти, пианистки Марии Александровны Фридман (с матерью А. А. Фридман возобновил отношения лишь незадолго до кончины). Учился во 2-й Санкт-Петербургской гимназии. В гимназические и студенческие годы увлекался астрономией.

Закончив гимназию с золотой медалью, Фридман в 1906 году поступил на математическое отделение физико-математического факультета Петербургского университета, который окончил в 1910 году. Был оставлен на кафедре чистой и прикладной математики у проф. В. А. Стеклова для подготовки к профессорскому званию.

В 1913 году поступил в Аэрологическую обсерваторию в Павловске под Петербургом и стал заниматься динамической метеорологией (теперь эту область науки называют геофизической гидродинамикой). Весной 1914 года был направлен в командировку в Лейпциг, где в это время жил известный норвежский метеоролог Вильгельм Фриман Корен Бьеркнес (1862--1951), создатель теории фронтов в атмосфере. Летом того же года Фридман летал на дирижаблях, принимая участие в подготовке к наблюдению солнечного затмения в августе 1914 года.

С началом Первой мировой войны Фридман вступил добровольцем в авиационный отряд. В 1914--1917 годах участвовал в организации аэронавигационной и аэрологической службы на Северном и других фронтах, был лётчиком-испытателем, участвовал в боевых вылетах, бомбил Перемышль, проводил авиаразведку. Фридман -- Георгиевский кавалер, был награждён золотым оружием и орденом Святого Владимира с мечами и бантом. Он составляет таблицы для прицельного бомбометания и проверяет их в бою. [3]

В 1917 г. его приглашают для чтения лекций в Киевский университет, затем он переезжает в Москву. Некоторое время работает на заводе авиационных приборов. Война подорвала его здоровье. Врачи не советовали ехать в Петроград и он выбрал Пермь. В ноябре 1917 г. он подал заявление об участии в конкурсе, а в апреле 1918 г. Фридман занимает должность экстраординарного профессора кафедры механики Пермского университета. Некоторое время А.А.Фридман работал проректором Пермского университета.

В 1920 г. он вернулся в Петроград и работал в Главной физической обсерватории (с 1924 - Главная геофизическая обсерватория им. А.И.Воейкова). C 1920 г. А.А.Фридман преподавал в различных учебных заведениях Петрограда. С 1923 он - главный редактор "Журнала геофизики и метеорологии". Незадолго до смерти был назначен директором Главной геофизической обсерватории.

Умер А.А. Фридман в Ленинграде от брюшного тифа 16 сентября 1925

В 1931 г. постановлением Советского правительства за выдающиеся научные труды А.А. Фридман был посмертно удостоен Ленинской премии.

2. Работы А.А Фридмана. Влияние его трудов на представления о вселенной

Научная деятельность Фридмана была сосредоточена главным образом в области теоретической метеорологии и гидромеханики. В этих областях проявился его блестящий математический талант, неизменное стремление и умение доводить решение теоретических задач до конкретного, практического приложения.

А.А. Фридман является одним из основоположников динамической метеорологии. Ему принадлежат фундаментальные труды по теории атмосферных вихрей, вертикальных воздушных течений и др. Он занимался также вопросами приложения теории физических процессов в атмосфере к воздухоплаванию. фридман вселенная атмосферный воздушный

Большой вклад он внес в общую теорию относительности Эйнштейна - предсказание расширение Вселенной. В своей широко известной работе "О кривизне пространства" (1922) Фридман по существу дал набросок основных идей космологии: об однородности распределения вещества в пространстве и, как следствие, об однородности и изотропности пространства-времени, т. е. о существовании "мирового" времени, для которого в каждый момент метрика пространства будет одинакова во всех точках и по всем направлениям. Эта теория важна прежде всего тем, что приводит к достаточно корректному объяснению фундаментального явления - эффекта красного смещения. Полученное Фридманом при указанных предположениях решение уравнений поля является образцом для любых космологических теорий. [4]

Поговорим об этом подробней…

Современная теория гравитации (общая теория относительности) была создана Альбертом Эйнштейном в 1915 году. Согласно этой теории, под воздействием массы и энергии тел пространство (точнее говоря, пространство-время) искривляется, что, в свою очередь, приводит к искривлению траекторий тел, что и воспринимается нами как проявление тяготения. Сразу же после возникновения теории относительности ее создатель попытался применить ее к Вселенной в целом, но эта попытка оказалась безуспешной. И вот через 7 лет неизвестный автор из Советской России - страны, казалось бы, изолированной от мировой науки, - смело утверждает, что эйнштейновский результат совсем не обязателен, а представляет собой весьма частный случай. Фридман впервые отбросил догму о неизменности Вселенной, с античных времен владевшую умами исследователей. Его выводы были настолько необычны, что Эйнштейн сначала не согласился с ним и заявил, что нашел в его выкладках ошибку.

Изучать Общую теорию относительности в России до 1920 года было трудно: ни иностранных публикаций, ни обзоров в отечественных журналах не было. А в мире уже бушевал настоящий бум вокруг новой теории. Начался он в 1919 году, сразу после подтверждения английскими астрономами предсказанного Эйнштейном отклонения лучей света от далеких звезд. И триумф теории относительности все-таки достиг России. Начали появляться популярные брошюры о новой теории. Одной из первых была книжка самого Эйнштейна. В предисловии автора к русскому переводу, изданному в Берлине и датированному ноябрем 1920 года, говорилось: "Более чем когда-либо, в настоящее тревожное время следует заботиться обо всем, что способно сблизить людей различных языков и наций. С этой точки зрения особенно важно способствовать живому обмену художественных и научных произведений и при нынешних столь трудных обстоятельствах. Мне поэтому особенно приятно, что моя книжечка появляется на русском языке". [5]

Полученные Фридманом в 1922-1924 годах первые нестатические решения уравнений Эйнштейна при исследовании релятивистских моделей Вселенной положили начало развитию теории нестационарной, раздвигающейся или пульсирующей Вселенной. Ученый исследовал нестационарные однородные изотропные модели с пространством положительной кривизны, заполненным пылевидной материей (с нулевым давлением).

Нестационарность рассмотренных моделей описывается зависимостью радиуса кривизны и плотности от времени, причем плотность изменяется обратно пропорционально кубу радиуса кривизны. Фридман выяснил типы поведения таких моделей, допускаемые уравнениями тяготения, причем модель стационарной Вселенной Эйнштейна оказалась действительно лишь частным случаем. Он опроверг мнение о том, что общая теория относительности требует допущения конечности пространства.

Решив уравнения эйнштейновской теории гравитации с учетом космологического принципа, Фридман показал, что Вселенная не может быть неизменной, в зависимости от начальных условий она должна либо расширяться, либо сжиматься. Он же впервые дал правильную по порядку величины оценку возраста Вселенной.

Результаты Фридмана продемонстрировали, что уравнения Эйнштейна не приводят к единственной модели Вселенной, какой бы ни была космологическая постоянная. Из модели однородной изотропной Вселенной следует, что при ее расширении должно наблюдаться красное смещение, пропорциональное расстоянию. В 1927 году к тем же выводам, что и Фридман, пришел бельгийский ученый и католический аббат Жорж Леметр. Леметр уделял большое внимание сопоставлению теории и наблюдений, впервые указав, что расширение Вселенной можно наблюдать с помощью красного смещения в спектрах галактик. Таким образом, расширение Вселенной, было предсказано теоретически, на основе теории относительности сначала Фридманом и чуть позднее Леметром.

Заключение

Работа А.А Фридмана - один из самых блестящих примеров предсказаний в истории науки. В 1929 году Эдвин П. Хаббл на основании астрономических наблюдений подтвердил: спектральные линии в спектрах галактик оказались смещены к красному концу спектра. Так астрономы, не обращавшие внимания на теорию Фридмана, убедились в его правоте.

Но Александр Фридман, к сожалению, не дожил до открытия закона Хаббла.

Уже после открытия Хаббла было показано, что нестационарность Вселенной фактически следует уже из закона всемирного тяготения (открытого Исааком Ньютоном еще в конце XVII в), точнее, из самого общего свойства гравитации, заключающегося в том, что эта сила только притягивает, но не отталкивает тела.

Фридман был одним из тех, кто смог пролить свет на столь сложные загадки нашего мира. Выдающийся ученный, память и труды, которого вошли в историю нашей цивилизации, еще на один шаг приблизили нас к пониманию истинной природы Вселенной.

Издавна человеческая мысль пытается разрешить проблему происхождения нашего мира, возникновения и дальнейшей судьбы вселенной. Этот вопрос относится к числу вечных вопросов, и, наверное, никогда не перестанет волновать умы людей. В разные времена предлагались и различные решения указанной проблемы. Согласно одним из них, мир был сотворен и когда-то начал свое существование; согласно другим – мир вечен и не имеет начала. Известны и такие точки зрения, согласно которым вселенная периодически возникает и уничтожается.

Происхождение и эволюция Вселенной

Креативная роль физического вакуума

Обычных (реальных) частиц в пустом объеме, конечно, нет, но квантовая теория предсказывает существование множества других частиц, называемых виртуальными. Такие частицы способны при определенных условиях превращаться в реальные.

Итак, море ненаблюдаемых частиц, готовых при определенных условиях превратиться в обычное.

Состояние физического вакуума можно охарактеризовать наименьшим значением энергии таких квантовых полей, как скалярное поле, которое должно существовать в вакууме. Этому полю ставится в соответствие гипотетическая частица хиггс (по имени ученого Хиггса, ее предложившего), которая является примером сверхтяжелого бозона, масса которого, возможно, в раз больше массы протона. Такие частицы могут рождаться при температуре K. Существуют проекты огромных ускорителей, где, наблюдая взаимодействие частиц, ученые надеются подтвердить реальность существования хиггсов.

Один из проектов американские инженеры и физики планируют осуществить в конце века. Это будет очень мощный ускоритель на встречных пучках, причем для уменьшения потребляемой энергии в кольцевой установке с длиной окружности 84 км будут использованы сверхпроводящие магниты. Будущий ускоритель назван сверхпроводящим суперколлайдером SSC.

Парадоксы стационарной Вселенной

В 1744 г. швейцарский астроном Жан Филипп де Шезо открыл фотометрический парадокс, связанный с предполагаемой бесконечностью вселенной. Суть его в следующем: если в бесконечной вселенной бесчисленное множество звезд, то по любому направлению взгляд земного наблюдателя непременно наталкивался бы на какую-нибудь звезду, и тогда небосвод имел бы яркость сравнимую с яркостью солнца, чего в действительности не наблюдается. В 1826 г. немецкий астроном Генрих Ольберс независимым путем пришел к тем же выводам. С тех пор фотометрический парадокс носит имя парадокса Шезо-Ольберса. Ученые пытались различными путями устранить указанный парадокс, предполагая неравномерность расположения звезд или поглощение света газопылевыми межзвездными облаками, как это пытались сделать Шезо и Ольберс. Однако, как было позже показано, газопылевые облака должны были нагреться и сами переизлучать поглощенные лучи, и этот факт не позволял избежать фотометрического парадокса.

В 1895 г. немецкий астроном Хуго Зеелигер открыл гравитационный парадокс, также связанный с предполагаемой бесконечностью вселенной. Суть его такова: если в бесконечной вселенной бесчисленное множество равномерно распределенных звезд (масс), то сила тяготения их, действующая на любое тело, становится или бесконечно большой или неопределенной (в зависимости от способа расчета), чего не наблюдается. И в этом случае предпринимались попытки избежать гравитационного парадокса, предполагая в законе тяготения другую формулу для гравитационной силы, или, считая, что плотность масс во вселенной близка к нулю. Но точные наблюдения за движением планет солнечной системы опровергли эти предположения. Парадокс оставался в силе.

Во вселенной, ограниченной в пространстве и имеющей начало во времени, сотворенной или нестационарной расширяющейся, устраняются все три космологических парадокса.

Основные положения теории относительности Эйнштейна

Инерциальной называется система отсчета, в которой справедлив закон инерции: материальная точка, когда на нее не действуют никакие силы (или действуют силы взаимно уравновешенные), находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. Всякая система отсчета, движущаяся по отношению к ней поступательно, равномерно и прямолинейно, есть также инерциальная.

Эти два постулата определяют формулы перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой – это преобразования Лоренца (преобразования описывают связь между координатами и временем конкретного события в двух различных инерциальных системах отсчета):

где с-параметр преобразования, имеющий смысл предельной скорости движения и, соответственно, равный скорости света в вакууме.

Характерно, что при таких переходах изменяются не только пространственные координаты, но и моменты времени (относительность времени). Из преобразований Лоренца получаются основные эффекты специальной теории относительности:

~ существование предельной скорости передачи любых взаимодействий – максимальной скорости, до которой можно ускорить тело, совпадающей со скоростью света в вакууме;

~ относительность одновременности (события, одновременные в одной инерциальной системе отсчета, в общем случае не одновременны в другой);

Все эти закономерности теории относительности надежно подтверждены на опыте.

Нестационарная Вселенная Фридмана

Закон Хаббла

Закон Хаббла (закон всеобщего разбегания галактик) – эмпирический закон, связывающий красное смещение галактик и расстояние до них линейным образом:

где z – красное смещение галактики, D – расстояние до нее, H₀ – коэффициент пропорциональности, называемый постоянная Хаббла. При малом значении z

где V_r – скорость галактики вдоль луча зрения наблюдателя, и закон принимает классический вид:

;

этот возраст с точностью до множителя 2 соответствует возрасту Вселенной, рассчитываемому по стандартной космологической модели Фридмана.

Этапы эволюции горячей Вселенной, неоднозначность сценария. Антропный принцип

Космология – раздел астрофизики, изучающий строение и эволюцию Вселенной в целом. Современная космология возникла в начале XX века. Данные астрофизических наблюдений показывают, что крупнейшими структурными единицами Вселенной являются большие скопления и сверхскопления галактик. Их размеры достигают десятков миллионов парсек. В еще больших масштабах (сотни мегапарсек) вещество во Вселенной распределено однородно.

Эйнштейн построил на основе своей теории космологическую модель статичной Вселенной. Исходной гипотезой было предположение о том, что Вселенная однородна и изотропна.

В 1922 г. А.А. Фридман доказал, что статичный мир Эйнштейна всего лишь частный случай решения уравнений ОТО. В общем же случае эти уравнения приводят не к статичным моделям, а к моделям, зависящим от времени. Однородная и изотропная Вселенная должна эволюционировать, т.е. непрерывно изменяться со временем.

В конце 20-х гг. Э. Хаббл установил, что галактики удаляются друг от друга. Это означает, что Вселенная расширяется.

Будет ли расширение Вселенной неограниченно продолжаться в будущем? Расширение тормозится силами тяготения. Тяготение определяется средней плотностью вещества во Вселенной. Критическое значение плотности, при котором расширение в будущем сменится сжатием, равно . Средняя плотность по данным наблюдений ниже критической раз в десять. Следовательно, Вселенная должна расширяться все время.

Однако во Вселенной, возможно, имеется много невидимого вещества, и средняя плотность может быть близка критической.

Поскольку наблюдения показывают, что галактики удаляются друг от друга, значит, в прошлом они были расположены теснее, а еще ранее не могло быть отдельных галактик и вообще отдельных небесных тел. Вещество было распределено почти равномерно, а плотность его была очень большой. Вселенная начала расширяться млрд. лет назад. При этом центра расширения не было. Все точки во Вселенной равноправны. Что было до начала расширения Вселенной, пока до конца не выяснено, так как при очень больших плотностях материи вступают в действие еще не известные нам законы природы.

Главным событием адронной эры был процесс аннигиляции нуклонов и антинуклонов (адронов). Нуклонов было несколько больше, чем антинуклонов, поэтому часть вещества осталась в качестве строительного материала для ядер будущих атомов.

Эра лептонов длилась примерно от Температура уменьшилась до K, а плотность стала равной Лептоны аннигилировали: мюон-антимюон, электрон-позитрон с образованием нейтрино. В результате, качественно изменился состав плазмы и приобрели самостоятельность нейтрино, которые с этого момента перестали участвовать во взаимодействиях. После аннигиляции тяжелых частиц их энергия перешла к более легким частицам и тратилась на нагрев излучения, а после аннигиляции легких частиц освободившаяся энергия стала расходоваться в основном на повышение температуры излучения. В конце лептонной эры произошло образование ядер гелия путем слияния протонов и нейтронов, которых стало около 25%, остальная плазма (75%) состояла из ядер водорода.

Эра радиации длилась от t=10 с до примерно 300 000 лет. К концу этой эры плотность стала равной а температура уменьшилась до 3000K. Одно из важнейших событий – отрыв излучения от вещества: присоединение электронов к протонам стало преобладать над отрывом электронов от протонов. В результате среда стала прозрачной для излучения.

Эра вещества длится до сих пор. После отрыва излучения от вещества наша Вселенная довольно спокойно расширялась, а главные события, происходившие в ней, были связаны с рождением галактик, звезд и планет.

Мы живем в эволюционирующей Вселенной. Появление жизни и разума в нашей Вселенной стало возможным на определенном этапе ее эволюции. Если бы эволюция космический материи происходила несколько иначе, то не было бы ни наблюдаемой структуры Вселенной, ни нас как наблюдателей.

По существу, в современной космологии появился новый взгляд на Вселенную, новый принцип. Согласно известному ранее космологическому принципу, Вселенная выглядит почти одинаково из любой точки пространства (идеальный принцип требует, чтобы Вселенная выглядела совершенно одинаково и в любой момент времени). Теперь же к этому принципу добавляется новый – его называют антропным принципом . Сформулировать его можно разным способом, например: это принцип отбора только тех начальных условий (из всех имеющихся на ранней стадии Вселенной), которые совместимы с существованием разумной жизни.

Антропный принцип не есть новый фундаментальный физический закон. Принцип вообще не эквивалентен закону, а представляет собой один из уровней философского основания науки.

Реликтовое излучение Вселенной

Возможность обнаружения реликтового излучения на фоне излучения галактик и звезд в области сантиметровых радиоволн была обоснована расчетами А.Г. Дорошкевича и И.Д. Новикова, выполненными по предложению Я.Б. Зельдовича в 1964 г., т.е. за год до открытия А. Пепзиаса и Р. Вилсона.

Ни звёзды и радиогалактики, ни горячий межгалактический газ, ни переизлучение видимого света межзвёздной пылью не могут дать излучения, приближающегося по свойствам к микроволновому фоновому излучению: суммарная энергия этого излучения слишком велика, и спектр его не похож ни на спектр звёзд, ни на спектр радиоисточников. Этим, а также почти полным отсутствием флуктуации интенсивности по небесной сфере (мелкомасштабных угловых флуктуации) доказывается космологическое, реликтовое происхождение микроволнового фонового излучения.

Спектр наполняющего Вселенную реликтового излучения соответствует спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 2,725 K . Его максимум приходится на частоту 160,4 ГГц, что соответствует длине волны 1,9 мм. Оно изотропно с точностью до 0,001% – среднеквадратичное отклонение температуры составляет приблизительно 18 мкК. Это значение не учитывает дипольную анизотропию (разница между наиболее холодной и горячей областью составляет 6.706 мК), вызванную доплеровским смещением частоты излучения из-за нашей собственной скорости относительно системы координат, связанной с реликтовым излучением. Дипольная анизотропия соответствует движению Солнечной системы по направлению к созвездию Девы со скоростью ≈ 370 км/с.

Инфляционная модель Вселенной

По их гипотезе, квантово-механический вакуум производит вселенные миллионами. Но в большинстве из них нет условий, необходимых для возникновения жизни, поэтому никто не может исследовать эти миры. В то же время в других вселенных, включая нашу собственную, сложились подходящие условия для появления исследователей, поэтому нет ничего удивительного в том, что в этих вселенных царит такой неправдоподобный порядок. Иначе говоря, сторонники антропического принципа принимают сам факт существования человека за объяснение упорядоченной структуры Вселенной, которая создала условия для возникновения человека. Однако подобные логические увертки ничего не объясняют. Следовательно, любая модель происхождения Вселенной, построенная на основе теории относительности, не способна объяснить наше восприятие времени, и потому все эти модели в их современном виде несовершенны и неприемлемы.

Будущее Вселенной

Не выброшенные из галактик звезды в результате столкновений, скорее всего, будут притягиваться к центру, который, в конце концов, превратится в черную гигантскую дыру. Примерно через 10 (18) лет большинство галактик будет состоять из массивных черных дыр, окруженных роем белых карликов, нейтронных звезд, черных дыр, планет и различных частиц.

Жизнь во Вселенной

Советский ученый, академик А.И. Опарин, автор популярной теории происхождения жизни, считает, что она должна была появиться тогда, когда поверхность нашей планеты представляла собой сплошной океан. Сначала в результате соединения углерода с водородом и азотом возникли простейшие органические соединения. Затем в водах первичного океана молекулы этих соединений объединились и укрупнились, образуя сложный раствор органических веществ. Наконец, на третьей стадии из этой среды выделились комплексы молекул, которые и дали начало первичным живым организмам.

Проблема поиска внеземных цивилизаций

Одной из самых интересных тем астрономии является возможность существования внеземных цивилизаций. По этой теме постоянно продолжаются дискуссии, и единого мнения не существует. Но большинство современных астрономов и философов считают, что жизнь – распространенное явление во Вселенной и существует множество миров, на которых обитают цивилизации. Уровень развития некоторых внеземных цивилизаций может быть неизмеримо выше уровня развития земной цивилизации. Именно с такими цивилизациями землянам особенно интересно установить контакт. На развитие мнения о множестве цивилизаций повлияло несколько аргументов.

Во-первых , в Метагалактике есть огромное число звезд, похожих на наше Солнце, а следовательно планетные системы могут существовать не только у Солнца. И более того исследования показали, что некоторые звезды определенных спектральных классов вращаются медленно вокруг своей оси, что может быть вызвано наличием вокруг этих звезд планетных систем.

Во-вторых , при соответствующих условиях жизнь могла возникнуть на планетах других звезд по типу эволюционного развития жизни на Земле. Молекулярные соединения, необходимые для начальной стадии эволюции неживой природе, достаточно распространены во Вселенной и открыты даже в межзвездной среде.

В-третьих , возможно существование небелковых форм жизни, принципиально отличных от тех, которые распространены на Земле. Однако ничего конкретного о них науке не известно.

Не все ученые столь оптимистически относятся к проблеме внеземных цивилизаций. Сторонники противоположной точки зрения считают, что жизнь, и особенно разумная жизнь, – исключительно редкое, а может быть, и уникальное явление во Вселенной.

Итак, внеземные цивилизации по прежнему относятся к числу гипотетических объектов, поиск которых представляет огромный интерес. Продолжаются споры о реальности внеземных цивилизаций, но лишь дальнейшие наблюдения и эксперименты позволят выяснить, существуют ли где-нибудь обитаемые миры или мы одиноки, по крайней мере, в пределах нашей Галактики.

Список используемой литературы

6. Климишин И.А. Открытие Вселенной. М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат лит., 1987. – 320 с.

Один из важных разделов современной астрономии — космология — изучает свойства и эволюцию Вселенной в целом. Занимаются этой наукой математики, физики, астрономы, философы, богословы, а ее возникновение связано с жаждой человечества иметь полное описание Вселенной, в которой оно обитает.

Несколько слов об авторе этой теории.

Несмотря на то, что Фридман прожил всего 37 лет (он скончался от брюшного тифа в 1925 г.), Александр Александрович успел раскрыть в полную силу свой талант в нескольких науках.

Собраны еще не все публикации математика, разбросанные в редких изданиях и малодоступных журналах, тем не менее главные сочинения Фридмана можно сгруппировать по трем областям знания.

Во-первых, это фундаментальные труды ученого по физике атмосферы и по динамической метеорологии (геофизической гидродинамике). Разработав теорию атмосферных вихрей и порывистости ветра, теорию разрывов непрерывности в атмосфере, теорию атмосферной турбулентности, исследовав вертикальные течения и изменения температуры с высотой, выведя общее уравнение для определения вихря скорости, Фридман заложил основы теории изучения погоды и ее прогнозирования. Многие теоретические выводы математика нашли практическое применение в аэронавигации.

Практическая метеорология и гидротехника из абстрактных уравнений в частных производных Фридмана по сию пору черпает нужные ей сведения.

И наконец, релятивистская космология. Устойчивый интерес к астрономии, проявленный Александром еще в школе, привел Фридмана к созданию космологической теории. Совмещая в начале 1920-х гг. работу в Главной физической обсерватории с преподаванием в ряде Петроградских вузов, математик увлекся общей теорией относительности (ОТО), обнародованной А. Эйнштейном в 1915—1916 гг., — одной из многочисленных теорий гравитации.

Эйнштейн, базируясь на работах своих предшественников, начиная с неэвклидовой геометрии Н.И. Лобачевского, рассмотрел гравитацию как проявление искривления пространства-времени, т.е. как некий геометрический эффект и отождествил гравитационное поле (поле тяготения) с тензорным метрическим полем или метрикой четырехмерного пространства-времени. Свои уравнения физик распространил и на описание Вселенной.

По мысли Эйнштейна, такой подход примирял непрерывное расширение пространства-времени (уравновешиваемое притяжением всей остальной материи) с вечностью и неизменностью Вселенной в пространстве и во времени. Однако получить стационарное решение уравнений ОТО Эйнштейну не удалось.

Поначалу Эйнштейн резко возражал против теории русского ученого, пытался найти в ней противоречия, но, в конце концов, вынужден был признать ее справедливость.

Интерпретаторы теории расширяющейся Вселенной любят уподоблять модель Фридмана с разбегающимися друг от друга галактиками с надуваемым шариком, на котором нанесены точки. При надувании отрезки между любыми двумя точками увеличиваются, хотя ни одна из точек и не является центром расширения. Чем больше расстояние между точками, тем быстрее они разбегаются.

Этот теоретический вывод был подтвержден в 1929 г. открытием американского ученого Э. Хаббла т.н. красного смещения света от отдаленных галактик, свидетельствующего об их удалении от нашей галактики со скоростью, которая пропорциональна их расстоянию от нас.

Нестационарная Вселенная до 1960-х гг. называлась именем бельгийского аббата, а после того, как из забвения было вызвано имя основоположника релятивистской космологии Фридмана получило имя модели Фридмана-Леметра.

P.S. По прочтении статьи у читателей возникли некоторые вопросы и предложения.

В теории расширения Вселенной заложен парадокс, который ставит Землю в Центр Вселенной. "Чем ни дальше от "НАС" находится объект тем у него большее смещение спектр. линий в сторону красного спектра.
НО почему от нас ,МЫ что "ПУП" Вселенной. (Никола Новиков).

Никакого парадокса нет: при наблюдении из ЛЮБОЙ точки вселенная будет (в больших масштабах) выглядеть одинаково. И выделенного центра как не было, так и нет.
Мне кажется, что можно внести уточнения.
1. Фридман вовсе не создал теории расширяющейся вселенной. Он лишь нашел решения для ОТО применительно к вселенной и показал, что они нестационарны, вселенная "обязана" либо расширяться, либо сжиматься.
2. Эйнштейн первоначально посчитал результаты Фридмана ошибочными, о чем и сообщил в одной из своих статей. Позже он признал правоту Фридмана и публично в научной периодике сообщил об этом.
3. Попытка ввести лямбда-член в уравнения ОТО была попыткой "спасти мир" и делалась именно под влиянием впечатления от результатов Фридмана.
4. Работы Гамова вовсе не являются развитием работ Эйнштейна или Фридмана: его результаты, если не ошибаюсь, могли быть получены на основе классических представлений, не прибегая к ОТО. Главное в них - "начальные условия", в результате которых реализовался тот мир, в котором и живем.
. Такие люди, как Фридман, заслуживают того, чтобы о них знали. тем более, что Фридман - наш соотечественник, фигура не только колоссального масштаба, но и трагическая в чем-то. (Алексей Степанов 5).

В 1922 году советский физик и математик А. Фридман на основе строгих расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна не может быть стационарной, неизменной. При этом Фридман опирался на сформулированный им космологический принцип, который строится на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной: мы можем проводить наблюдения в любой из них и везде увидим изотропную Вселенную.

Фридман на основе космологического принципа 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.

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

Разъясняя характер эволюции Вселенной, расширяющейся начиная с сингулярного состояния, Фридман особо выделял два случая:

а) радиус кривизны Вселенной с течением времени постоянно возрастает, начиная с нулевого значения;

б) радиус кривизны меняется периодически: Вселенная сжимается в точку (в ничто, сингулярное состояние), затем снова из точки, доводит свой радиус до некоторого значения, далее опять, уменьшая радиус своей кривизны, обращается в точку, и т.д.

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 со все возрастающей скоростью, был сделан однозначный вывод о том, что наша Вселенная расширяется. Но расширяющаяся Вселенная — это изменяющаяся Вселенная, мир со всей своей историей, имеющий начало и конец. Постоянная Хаббла позволяет оценить время, в течение которого продолжается процесс расширения Вселенной. Получается, что оно не менее 10 млрд. и не более 19 млрд. лет. Наиболее вероятным временем существования расширяющейся Вселенной считают 15 млрд. лет. Таков приблизительный возраст нашей Вселенной.

Как и любая другая научная концепция, теория Фридмана приближенна и имеет границы своей применимости. В частности, ее заведомо нельзя использовать в области очень малых пространственно-временных масштабов, где важны не учитываемые ею квантовые эффекты. Здесь космологическая модель Фридмана может приводить к парадоксальным результатам, например, к выводу о рождении Вселенной “из ничего” — из абсолютной, безразмерной точки.

Читайте также: