Модели возникновения вселенной

  Геоцентрическая система мира. Центральное положение во Вселенной занимает неподвижная Земля, вокруг которой вращаются Солнце, Луна, планеты и звёзды. Анаксимандр считал Землю имеющей форму низкого цилиндра с высотой в три раза меньше диаметра основания. Анаксимен, Анаксагор, Левкипп считали Землю плоской, наподобие крышки стола. Принципиально новый шаг сделал Пифагор, который предположил, что Земля имеет форму шара. В этом ему последовали не только пифагорейцы, но также Парменид, Платон, Аристотель. Так возникла каноническая форма геоцентрической системы. Шарообразная Земля находится в центре сферической Вселенной; видимое суточное движение небесных светил является отражением вращения Космоса вокруг мировой оси. порядок расположения светил оказывался таким: Луна, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн, звёзды. Сюда не включены Меркурий и Венера, потому что у греков были разногласия на их счёт: Аристотель и Платон помещали их сразу за Солнцем, Птолемей — между Луной и Солнцем. Аристотель считал, что выше сферы неподвижных звёзд нет ничего, даже пространства, в то время как стоики считали, что наш мир погружен в бесконечное пустое пространство; атомисты вслед за Демокритом полагали, что за нашим миром находятся другие миры. Это мнение поддерживали эпикурейцы, его ярко изложил Лукреций в поэме «О природе вещей». Сам Аристотель обосновывал геоцентризм следующим образом: Земля является тяжёлым телом, а естественным местом для тяжёлых тел является центр Вселенной; как показывает опыт, все тяжёлые тела падают отвесно, а поскольку они движутся к центру мира, Земля находится в центре. Кроме того, орбитальное движение Земли (которое предполагал пифагореец Филолай) Аристотель отвергал на том основании, что оно должно приводить к параллактическому смещению звёзд, которое не наблюдается. В ходе научной революции XVII века выяснилось, геоцентризм несовместим с астрономическими фактами и противоречит физической теории; постепенно утвердилась гелиоцентрическая система мира. Основными событиями, приведшими к отказу от геоцентрической системы, были создание гелиоцентрической теории планетных движений Коперником, телескопические открытия Галилея, открытие законов Кеплера и, главное, создание классической механики и открытие закона всемирного тяготения Ньютоном.

  Гелиоцентрическая система мира. Солнце является центральным небесным телом, вокруг которого обращается Земля и другие планеты. Такое представление возникло в античности, но получило широкое распространение с конца Эпохи Возрождения. В этой системе Земля предполагается обращающейся вокруг Солнца за один звёздный год и вокруг своей оси за одни звёздные сутки. Следствием второго движения является видимое вращение небесной сферы, первого — перемещение Солнца среди звёзд по эклиптике. Планеты солнечной системы делятся на два вида: внутренние (Меркурий и Венера), наблюдаемые только на сравнительно небольших расстояниях от Солнца, и внешние (все остальные), которые могут наблюдаться на любых расстояниях. В гелиоцентрической системе это различие связано с тем, что орбиты Меркурия и Венеры всегда находятся внутри орбиты Земли (третьей от Солнца планеты), в то время как орбиты остальных планет находятся вне орбиты Земли.

  В гелиоцентрической системе с  помощью простых геометрических рассуждений и немногих наблюдательных данных легко определяются средние  расстояния от Солнца до планет. Для внутренней планеты достаточно знать её максимальное угловое расстояние от Солнца. впервые вычислил относительные расстояния планет от Солнца. Поскольку все планеты светят отражённым светом Солнца, у них должна наблюдаться смена фаз. Порядок смены фаз впервые был установлен Галилеем. Это доказывало движения Земли вокруг Солнца. Идея движения Земли возникла в рамках пифагорейской школы. Пифагореец Филолай из Кротона обнародовал систему мира, в которой Земля является одной из планет; правда, речь пока шла об её вращении (за сутки) вокруг мистического Центрального Огня, а не Солнца. Подлинно гелиоцентрическая система была предложена в начале III века до н. э. Аристархом Самосским. Гелиоцентризм позволил решить основные проблемы, стоявшие перед древнегреческой астрономией, поскольку господствовавшие в начале III века до н. э. геоцентрические взгляды явно были в кризисном состоянии.

  Гелиоцентрическая система была почти забыта в Средние  века. Однако ряд позднеантичных и  раннесредневековых авторов (в их числе  Марциан Капелла, Эриугена), разделяя мнение об обращении Солнца вокруг неподвижной Земли, предполагали, что Меркурий и Венера обращаются вокруг Солнца, являясь его спутниками. возродился в XVI веке, когда польский астроном Николай Коперник разработал теорию движения планет вокруг Солнца на основании пифагорейского принципа равномерных круговых движений. Коперник объяснил причины попятных движений планет, вычислил расстояния планет от Солнца и периоды их обращений. В некоторых отношениях теория Коперника сохраняла «родимые пятна» геоцентризма:1. центром планетной системы было не столько Солнце, сколько центр земной орбиты; 2. из всех планет Земля единственная двигалась по своей орбите равномерно, в то время как у остальных планет орбитальная скорость менялась, что Коперник объяснял комбинацией движения по большим и малым кругам.

  Тем не менее, им был дан импульс для  дальнейшей разработки гелиоцентрической  теории движения планет, сопутствующих  задач механики и космологии. «Родимые пятна геоцентризма», сохранявшиеся у Коперника, вывел немецкий астроном Иоганн Кеплер.

  Кеплер  пришёл к следующим выводам:

  1. Орбита каждой из планет является  плоской кривой, причём плоскости  всех планетных орбит пересекались  в Солнце. Это означало, что Солнце  находится в геометрическом центре  планетной системы, тогда как  у Коперника таковым был центр  земной орбиты 2. Каждая планета движется по эллипсу 3 . Кеплер открыл закон площадей: отрезок, соединяющий планету и Солнце, за равные промежутки времени описывает равные площади. Скорость планеты менялась в зависимости от расстояния от Солнца, а не от некоторой бестелесной точки. Тем самым Солнце оказалось не только геометрическим, но и динамическим центром планетной системы. 4. Кеплер вывел математический закон, который связывал между собой периоды обращений планет и размеры их орбит. Впервые закономерность устройства планетной системы, о существовании которой догадывались ещё древние греки, получила математическое оформление.

  Одновременно  с Кеплером на другом конце Европы, в Италии, трудился Галилео Галилей, оказавший двоякую поддержку  гелиоцентрической теории. Во-первых, с помощью изобретённого им телескопа  Галилей сделал ряд открытий:

  1. Поверхность Луны не гладкая, имеет горы и впадины, как Земля. Кроме того, Галилей объяснил пепельный свет Луны отражением солнечного света Землёй. Благодаря этому Земля стала телом, во всех отношениях подобным Луне. 2 . Четыре спутника Юпитера (впоследствии - галилеевых). Тем самым он опроверг утверждение, что Земля не может обращаться вокруг Солнца, поскольку вокруг неё самой обращается Луна (такой тезис часто выдвигали противники Коперника) 3 . Смена фаз Венеры, указывавшая, что Венера обращается вокруг Солнца. 4 . Галилей установил, что Млечный Путь состоит из большого количества звёзд, неразличимых невооружённым взглядом.

   5 . Одним из первых Галилей  открыл солнечные пятна. Наблюдения  над пятнами привели Галилея  к выводу о вращении Солнца  вокруг своей оси. 6. Галилей показал,  что видимые размеры планет  в различных конфигурациях (например, в противостоянии и соединении  с Солнцем) меняются точно в  том соотношении, как следует  из теории Коперника.

    Вторым направлением деятельности  Галилея было установление новых  законов динамики. Им была открыта  инерция и принцип относительности,  что позволило устранить традиционные  возражения противников гелиоцентризма: если Земля движется, почему мы  этого не замечаем? Гелиоцентрическая система мира, выдвинутая в III веке до н. э. Аристархом и возрождённая в XVI веке Коперником, позволила установить параметры планетной системы и открыть законы планетных движений. Обоснование гелиоцентризма потребовало создания классической механики и привело к открытию закона всемирного тяготения. Гелиоцентризм открыл дорогу звёздной астрономии (звёзды — далёкие солнца) и космологии бесконечной Вселенной. Основное содержание научной революции XVII века состояло в утверждении гелиоцентризма.

  Сама  идея всеобщей силы тяготения неоднократно высказывалась и до Ньютона. Но до Ньютона никто не сумел ясно и математически доказательно связать закон тяготения и законы движения планет (законы Кеплера).

  С помощью ньютоновского тяготения были с высокой точностью объяснены все наблюдаемые движения небесных тел; в этом большая заслуга Эйлера, Клеро и Лапласа, которые разработали для этого теорию возмущений. Фундамент этой теории был заложен ещё Ньютоном, который провёл анализ движения Луны, используя свой обычный метод разложения в ряд; на этом пути он открыл причины известных тогда нерегулярностей (неравенств) в движении Луны.

  Закон тяготения позволил решить не только проблемы небесной механики, но и ряд  физических и астрофизических задач. Ньютон указал метод определения массы Солнца и планет. Он открыл причину приливов: притяжение Луны (даже Галилей считал приливы центробежным эффектом). Более того, обработав многолетние данные о высоте приливов, он с хорошей точностью вычислил массу Луны. Ещё одним следствием тяготения оказалась прецессия земной оси. Ньютон выяснил, что из-за сплюснутости Земли у полюсов земная ось совершает под действием притяжения Луны и Солнца постоянное медленное смещение с периодом 26000 лет.

  . Первые наблюдаемые отклонения  от теории Ньютона в астрономии (смещение перигелия Меркурия) были  обнаружены лишь через 200 лет.  Вскоре эти отклонения объяснила  общая теория относительности  (ОТО); ньютоновская теория оказалась её приближённым вариантом.

  Модель  стационарной Вселенной  Эйнштейна

  Во  втором десятилетии 20-го века Альберт Эйнштейн предложил для Вселенной космологическую модель в виде замкнутой на себя 3-мерной гиперсферической оболочки. Первоначальная модель Эйнштейна была стационарной, т.е. радиус оболочки R предполагался постоянным, не зависящим от времени.

         В 1915 и 1916 годах Эйнштейн опубликовал  уравнения общей теории относительности  (следует заметить, что к настоящему  времени это наиболее полно  и тщательно проверенная и  подтверждённая теория). Согласно этих уравнений Вселенная не является статичной, а расширяется с одновременным торможением. Единственное физическое явление, которое ведёт себя подобным образом это взрыв, которому учёные дали название "Большой взрыв" или "горячий Большой взрыв".

         Но если видимая Вселенная  является следствием Большого  взрыва, то у этого взрыва было  начало, была Первопричина, был Конструктор.  Вначале Эйнштейн отвергал такой  вывод и в 1917 г. выдвинул  гипотезу о существовании некой  "силы отталкивания", прекращающей  движение и сохраняющей Вселенную  в статическом состоянии бесконечное  время. 

         Однако американский астроном  Эдвин Хаббл (1889-1953) в 1929 году  доказал, что звёзды и звёздные  скопления (галактики) удаляются  друг от друга. Это, так называемое, "разбегание галактик" предсказано  изначальной формулировкой общей  теории относительности. 

  Первые  принципиально новые революционные  космологические следствия общей  теории относительности раскрыл  выдающийся советский математик  и физик-теоретик Александр Александрович  Фридман (1888—1925). Основными уравнениями  общей теории относительности являются «мировые уравнения» Эйнштейна, которые  описывают геометрические свойства, или метрику, четырехмерного искривленного  пространства — времени.

  Решение их позволяет в принципе построить  математическую модель Вселенной. Первую такую попытку предпринял сам  Эйнштейн. Считая радиус кривизны пространства постоянным (т. е. исходя из предположения  о стационарности Вселенной в  целом, что представлялось наиболее разумным), он пришел к выводу, что  Вселенная должна быть пространственно  конечной и иметь форму четырехмерного цилиндра. В 1922—1924 гг. Фридман выступил с критикой выводов Эйнштейна. Он показал необоснованность его исходного  постулата — о стационарности, неизменности во времени Вселенной. Проанализировав мировые уравнения, Фридман пришел к заключению, что их решение ни при каких условиях не может быть однозначным и не может дать ответа на вопрос о форме Вселенной, ее конечности или бесконечности.

  Исходя  из противоположного постулата —  о возможном изменении радиуса  кривизны мирового пространства во времени, Фридман нашел нестационарные решения  «мировых уравнений». В качестве примера  таких решений он построил три  возможные модели Вселенной. В двух из них радиус кривизны пространства монотонно растет, и Вселенная  расширяется (в одной модели —  из точки, в другой — начиная с  некоторого конечного объема). Третья модель рисовала картину пульсирующей Вселенной с периодически меняющимся радиусом кривизны. Встретив сначала  решения Фридмана с большим недоверием, Эйнштейн затем убедился в его  правоте и согласился с критикой молодого физика. Две первые модели Вселенной Фридмана уже вскоре нашли  удивительно точное подтверждение  в непосредственных наблюдениях  движений далеких галактик — в  так называемом эффекте «красного  смещения» в их спектрах. Он свидетельствует  о взаимном удалении всех достаточно далеких друг от друга галактик и  их скоплений. Если обратить картину  во времени, то это приводит к заключению о существовании «начала» обнаруженного  общего расширения пространства Вселенной.

  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.