Тема6.Космология

 

Главная Вверх Тема7-1.Химия Тема7-2.Биология 
          "Каждая цивилизация в определенном возрасте имеет возможность возвысить, или разрушить себя. Если делается выбор в пользу возвышения, то возникает импульс, позволяющий появиться учениям об утерянных законах сущего".   (Высший разум, ченнелинг).   
                                                                            М.И. Беляев, 2015г,©
страница находится  в стадии доработки
ТЕМА 6. Концепции пространства и времени. Космологические модели Вселенной
 
6.1. Развитие взглядов на пространство и время в истории  науки.
      Уже в античном мире мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени. Так, одни из философов отрицали возможность существования пустого пространства или, по их выражению, небытия. Это были представители элейской школы в Древней Греции. А знаменитый греческий врач и философ  Эмпедокл, хотя и поддерживал учение о невозможности пустоты, в отличие от элеатов утверждал реальность изменения и движения. Он говорил, что рыба, например, передвигается в воде, а пустого пространства не существует.
Некоторые философы, в том числе Демокрит, утверждали, что пустота существует, как материи и атомы, и необходима для их перемещений и соединений.
В доньютоновский период развитие представлений о пространстве и времени носило преимущественно стихийный и противоречивый характер. И только в «Началах» древнегреческого математика Евклида пространственные характеристики объектов впервые обрели строгую математическую форму. В это время зарождаются геометрические представления об однородном и бесконечном пространстве.
        Геоцентрическая система К. Птолемея, изложенная им в труде «Альмагест», господствовала в естествознании до XVI в. Она представляла собой первую универсальную математическую модель мира, в которой время было бесконечным, а пространство конечным, включающим равномерное круговое движение не­бесных тел вокруг неподвижной Земли.
         Коренное изменение пространственной и всей физической картины произошло в гелиоцентрической системе мира, развитой Н. Коперником в работе «Об обращениях небесных сфер».
       Принципиальное отличие этой системы мира от прежних теорий состояло в том, что в ней концепция единого однородного пространства и равномерности течения времени обрела реальный эмпирический базис.
     Признав подвижность Земли, Коперник в своей теории отверг все ранее существовавшие представления о ее уникальности, «единственности» центра вращения во Вселенной. Тем самым теория Коперника не только изменила существовавшую модель Вселенной, но и направила движение естественно­научной мысли к признанию безграничности и бесконечности пространства.
      В гелиоцентрической картине движения планет Кеплер увидел действие единой физической силы. Он установил универ­сальную зависимость между периодами обращения планет и средними расстояниями их до Солнца, ввел представление об их эллиптических орбитах. Концепция Кеплера способствовала развитию математического и физического учения о пространстве.
       Космологическая теория Д. Бруно связала воедино бесконечность Вселенной и пространства. В своем произведении «О бесконечности, Вселенной и мирах» Бруно писал: «Вселенная должна быть бесконечной благодаря способности и расположению бесконечного пространства и благодаря возможности и сообразности бытия бесчисленных миров, подобных этому...»1. Представляя Вселенную как «целое бесконечное», как «единое, безмерное пространство», Бруно делает вывод и о безграничности пространства, ибо оно «не имеет края, предела и поверхности».
Практическое обоснование выводы Бруно получили в «физике неба» И. Кеплера и в небесной механике Г. Галилея.
 
 6.2. Принцип относительности Г. Галилея.
Инерциальные системы. Принцип инвариантности.
       Подлинная революция в механике связана с именем Г. Галилея. Он ввел в механику точный количественный эксперимент и математическое описание явлений. Первостепенную роль в развитии представлений о пространстве сыграл открытый им общий принцип классической механики - принцип от­носительности Галилея. Согласно этому принципу все физические (механические) явления происходят одинаково во всех системах, покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно с постоянной по величине и направлению скоростью. Такие системы называются инерциальными. Математические преобразования Галилея отражают движение в двух инерциальных системах, движущихся с относительно малой скоростью (меньшей, чем скорость света в вакууме). Они устанавливают инвариантность (неизменность) в системах длины, времени и ускорения.
        Дальнейшее развитие представлений о пространстве и времени связано с рационалистической физикой Р. Декарта, кото­рый создал первую универсальную физико-космологическую картину мира. В основу ее Декарт положил идею о том, что все явления природы объясняются механическим воздействием элементарных материальных частиц. Взаимодействием элемен­тарных частиц Декарт пытался объяснить все наблюдаемые фи­зические явления: теплоту, свет, электричество, магнетизм. Само же взаимодействие он представлял в виде давления или удара при соприкосновении частиц друг с другом и ввел таким образом в физику идею близкодействия.
       Декарт обосновывал единство физики и геометрии. Он ввел координатную систему (названную впоследствии его именем), в которой время представлялось как одна из пространственных осей. Тезис о единстве физики и геометрии привел его к отождествлению материальности и протяженности. Исходя из этого тезиса он отрицал пустое пространство и отождествил пространство с протяженностью.
      Декарт развил также представление о соотношении длительности и времени. Длительность, по его мнению, «соприсуща материальному миру. Время же - соприсуще человеку и потому является модулем мышления». «... Время, которое мы отличаем от длительности, - пишет Декарт в «Началах философии», - есть лишь известный способ, каким мы эту длительность мыслим...».
      Таким образом, развитие представлений о пространстве и времени в доньютоновский период способствовало созданию концептуальной основы изучения физического пространства и времени. Эти представления подготовили математическое и экспериментальное обоснование свойств пространства и времени в рамках классической механики.
 
6.3. Понятия абсолютного и относительного пространства и времени в классической механике.
     Новая физическая гравитационная картина мира, опирающаяся на строгие математические обоснования, представлена в классической механике И. Ньютона. Ее вершиной стала теория тяготения, провозгласившая универсальный закон природы - закон всемирного тяготения. Согласно этому закону сила тяготения универсальна и проявляется между любыми материальными телами независимо от их конкретных свойств. Она всегда пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
Распространив на всю Вселенную закон тяготения, Ньютон рассмотрел и возможную ее структуру. Он пришел к выводу, что Вселенная является не конечной, а бесконечной. Лишь в этом случае в ней может существовать множество космических объектов - центров гравитации.
     Так, в рамках ньютоновской гравитационной модели Вселенной утверждается представление о           бесконечном пространстве, в котором находятся космические  объекты, связанные между собой силой тяготения.
В 1687 г. вышел основополагающий труд Ньютона «Математические начала натуральной философии». Этот труд более чем на два столетия определил развитие всей естественно­научной картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение понятий пространства, времени, места и движения.
    Раскрывая сущность времени и пространства, Ньютон характеризует их как «вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве - в смысле порядка положения». Он предлагает различать два типа понятий пространства и времени: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику:
• Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.
• Относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как-то: час, день, месяц, год.
• Абсолютное пространство по своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.
• Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное.
      Из определений Ньютона следовало, что разграничение им понятий абсолютного и относительного пространства и времени связано со спецификой теоретического и эмпирического уровней их познания. На теоретическом уровне классической механики представления об абсолютном пространстве и времени играли существенную роль во всей причинной структуре описания мира. Оно выступало в качестве универсальной инерциальной системы отсчета, так как законы движения классической механики справедливы в инерциальных системах отсчета. На уровне эмпирического познания материального мира понятия «пространства» и «времени» ограничены чувствами и свойствами познающей личности, а не объективными призна­ками реальности как таковой. Поэтому они выступают в качестве относительного времени и пространства.
         Ньютоновское понимание пространства и времени вызвало неоднозначную реакцию со стороны его современников - естествоиспытателей и философов. С критикой ньютоновских представлений о пространстве и времени выступил немецкий ученый Г. В. Лейбниц. Он развивал реляционную концепцию пространства и времени, отрицающую существование пространства и времени как абсолютных сущностей.
      Указывая на чисто относительный (реляционный) характер пространства и времени, Лейбниц пишет: «Считаю пространство так же, как и время, чем-то чисто относительным: пространство - порядком сосуществований, а время - порядком последовательностей» .
       Предвосхищая положения теории относительности Эйнштейна о неразрывной связи пространства и времени с материей, Лейбниц считал, что пространство и время не могут рассматриваться в «отвлечении» от самих вещей. «Мгновения в отрыве от вещей ничто, - писал он, - и они имеют свое существование в последовательном порядке самих вещей».  Однако данные представления Лейбница не оказали заметного влияния на развитие физики, так как реляционная концепция пространства и времени была недостаточна для того, чтобы служить основой принципа инерции и законов движения, обоснованных в классической механике Ньютона. Впоследствии это было отмечено и А. Эйнштейном.
    Успехи ньютоновской системы (поразительная точность и кажущаяся ясность) привели к тому, что многие критические соображения в ее адрес обходились молчанием. А ньютоновская концепция пространства и времени, на основе которой строилась физическая картина мира, оказалась господствующей вплоть до конца XIX в.
        Основные положения этой картины мира, связанные с пространством и временем, заключаются в следующем.
• Пространство считалось бесконечным, плоским, «прямолинейным», евклидовым. Его метрические свойства описывались геометрией Евклида. Оно рассматривалось как абсолютное, пустое, однородное и изотропное (нет выделенных точек и направлений) и выступало в качестве «вместилища» материальных тел, как независимая от них инерциальная система.
• Время понималось абсолютным, однородным, равномерно текущим. Оно идет сразу и везде во всей Вселенной «единообразно и синхронно» и выступает как независимый от материальных объектов процесс длительности. Фактически классическая механика сводила время к длительности, фиксируя определяющее свойство времени «показывать продолжительность события». Значение указаний времени в классической механике считалось абсолютным, не зависящим от состояния движения тела отсчета.
• Абсолютное время и пространство служили основой для преобразований Галилея - Ньютона, посредством которых осуществлялся переход к инерциальным системам. Эти системы выступали в качестве избранной системы координат в класси­ческой механике.
• Принятие абсолютного времени и постулирование абсолютной и универсальной одновременности во всей Вселенной явилось основой для теории дальнодействия. В качестве дальнодействующей силы выступало тяготение, которое с бесконечной скоростью, мгновенно и прямолинейно распространяло силы на бесконечные расстояния. Эти мгновенные, вневременные взаимодействия объектов служили физическим каркасом для обоснования абсолютного пространства, существующего независимо от времени.
        До XIX в. физика была в основном физикой вещества, т.е. она рассматривала поведение материальных объектов с конечным числом степеней свободы и обладающих конечной массой покоя. Изучение электромагнитных явлений в XIX в. выявило ряд существенных отличий их свойств по сравнению с механи­ческими свойствами тел.
       Если в механике Ньютона силы зависят от расстояний меж­ду телами и направлены по прямым, то в электродинамике (теории электромагнитных процессов), созданной в XIX в. английскими физиками М. Фарадеем и Дж. К. Максвеллом, силы зависят от расстояний и скоростей и не направлены по прямым, соединяющим тела. А распространение сил происходит не мгновенно, а с конечной скоростью. Как отмечал Эйнштейн, с развитием электродинамики и оптики становилось все очевиднее, что «недостаточно одной классической механики , для полного описания явлений природы». Из теории Максвелла вытекал вывод о конечной скорости распространения элек­тромагнитных взаимодействий и существовании электромагнитных волн. Свет, магнетизм, электричество стали рассматриваться как проявление единого электромагнитного поля. Таким образом, Максвеллу удалось подтвердить действие законов сохранения и принципа близкодействия благодаря введению понятия электромагнитного поля,  что, по словам Эйнштейна, явилось «самым важным достижением со времени Ньютона».
   Открытие существования поля в пространстве между зарядами и частицами было очень существенно для описания физических свойств пространства и времени. Структура электромагнитного поля описывается с помощью четырех уравнений Максвелла, устанавливающих связь величин, характеризующих электрические и магнитные поля с распределением в пространстве зарядов и токов. Как заметил Эйнштейн, теория относительности возникает из проблемы поля.
     Специального объяснения в рамках существовавшей в конце XIX в. физической картины мира требовал и отрицательный результат по обнаружению мирового эфира, полученный американским физиком А. Майкельсоном. Его опыт доказал независимость скорости света от движения Земли. С точки зрения классической механики, результаты опыта Майкельсона не поддавались объяснению. Некоторые физики пытались истолковать их как указывающие на реальное сокращение размеров всех тел, включая и Землю, в направлении движения под действием возникающих при этом электромагнитных сил.
   Создатель электронной теории материи X. Лоренц вывел математические уравнения (преобразования Лоренца) для вычисления реальных сокращений движущихся тел и промежутков времени между событиями, происходящими на них, в зависимости от скорости движения.
   Как показал позднее Эйнштейн, в преобразованиях Лоренца отражаются не реальные изменения размеров тел при дви­жении (что можно представить лишь в абсолютном пространстве), а изменения результата измерения в зависимости от движения системы отсчета.
    Таким образом, относительными оказывались и «длина», и «промежуток времени» между событиями, и даже «одновре менность» событий. Иначе говоря, не только всякое движение но и пространство, и время.
 
 6.4.ПРОСТАНСТВО И ВРЕМЯ В СпециальнОЙ теориИ
 относительности
    Специальная теория относительности, созданная в 1905 г А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза клас сической механики Галилея - Ньютона и электродинамики Максвелла - Лоренца. «Она описывает законы всех физиче ских процессов при скоростях движения, близких к скорости света, но без учета поля тяготения. При уменьшении скоростей движения она сводится к классической механике, которая, та­ким образом, оказывается ее частным случаем».
    Если бы были найдены абсолютные пространство и время, и следовательно, и абсолютные скорости, то пришлось бы отказаться от принципа относительности, в соответствии с которым инерциальные системы равноправны. Создатель теории относительности сформулировал обобщенный принцип относительности, который теперь распространяется и на электромагнитные явления, в том числе и на движение света.
    Этот принцип гласит, что никакими физическими опытами (механическими, электромагнитными и др.), производимыми внутри данной системы отсчета, нельзя установить различие между состояниями покоя и равномерного прямолинейного движения.
      Классическое сложение скоростей неприменимо для распространения электромагнитных волн, света. «Для всех физических процессов скорость света обладает свойством бесконечной скорости. Для того чтобы сообщить телу скорость, равную скорости света, требуется бесконечное количество энергии, и именно поэтому физически невозможно, чтобы какое-нибудь тело достигло этой скорости.
     Скорость света является предельной скоростью распространения материальных воздействий. Она не может складываться ни с какой скоростью и для всех инерциальных систем оказывается постоянной.
       Из этих двух принципов - постоянства скорости света и расширенного принципа относительности Галилея — математически следуют все положения специальной теории относительности (СТО). Если скорость света постоянна для всех инерциальных систем, а они все равноправны, то физические величины длины тела, промежутка времени, массы для разных систем отсчета будут различными.
         Еще раз подчеркнем, что эффекты специальной теории относительности будут обнаруживаться при скоростях, близких к световым. При скоростях значительно меньше скорости света формулы СТО переходят в формулы классической механики.
     В общей теории относительности (ОТО), или теории тяготения, Эйнштейн расширяет принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы. В ней он также исходит из экспериментального факта эквивалентности масс инерционных и гравитационных, или эквивалентности инерционных и гравитационных полей.
 
 6.5.  СВОЙСТВА ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ
    Какие же основные свойства пространства и времени мы можем указать? Прежде всего пространство и время объективны и реальны, т.е. существуют независимо от сознания людей ипознания ими этой объективной реальности.
       Пространство и время являются также универсальными, всеобщими формами бытия материи.
Важным свойством пространства является его трехмерность. Положение любого предмета может быть точно определено только с помощью трех независимых величин -координат. В прямоугольной декартовой системе координат это - X, У, Z, называемые длиной, шириной и высотой. В сферической системе координат - радиус-вектор r и углы а и р. В цилиндрической системе - высота z, радиус-вектор и угол а.
     В науке используется понятие многомерного пространства (n-мерного). Это понятие математической абстракции играет важную роль. К реальному пространству оно не имеет отношения. Каждая координата, например 6-мерного пространства, может указывать на какое-то любое свойство рассматриваемой физической реальности: температуру, плотность, скорость, массу и т.д.
       В отличие от пространства, в каждую точку которого можно снова и снова возвращаться (и в этом отношении оно является как бы обратимым), время - необратимо и одномерно.
     Оно течет из прошлого через настоящее к будущему. Нельзя возвратиться назад в какую-либо точку времени, но нельзя и перескочить через какой-либо временной промежуток в будущее. Отсюда следует, что время составляет как бы рамки для причинно-следственных связей. Некоторые утверждают, что необратимость времени и его направленность определяются причинной связью, так как причина всегда предшествует следствию.
       Необратимость времени в макроскопических процессах находит свое воплощение в законе возрастания энтропии. В обратимых процессах энтропия (мера внутренней неупорядоченности системы) остается постоянной, в необратимых - возрастает. Реальные же процессы всегда необратимы. В замкнутой системе максимально возможная энтропия соответствует наступлению в ней теплового равновесия: разности температур в отдельных частях системы исчезают и макроскопические процессы становятся невозможными. Вся присущая системе энергия превращается в энергию неупорядоченного, хаотического движения микрочастиц, и обратный переход тепла в работу невозможен.
         Пространство обладает свойством однородности и изотропности, а время - однородности. Однородность пространства заключается в равноправии всех его точек, а изотропность - в равноправии всех направлений. Во времени все точки равноправны, не существует преимущественной точки отсчета, любую можно принимать за начальную.
      Указанные свойства пространства и времени связаны с главными законами физики - законами сохранения. Если свойства системы не меняются от преобразования переменных, то ей соответствует определенный закон сохранения. Это - одно из существенных выражений симметрии в мире.
   Симметрии относительно сдвига времени (однородности времени) соответствует закон сохранения энергии; симметрии относительно пространственного сдвига (однородности пространства) - закон сохранения импульса;
симметрии по отношению поворота координатных осей (изотропности пространства) - закон сохранения момента импульса, или углового момента. Из этих свойств вытекает и независимость пространственно-временного интервала, его инвариантность и абсолютность по отношению ко всем системам отсчета.
      В современной науке используются понятия биологического, психологического и социального пространства и времени. Эти понятия введены в связи с особенностями проявления пространственно-временных свойств нефизических объектов. Метрические (количественные) и топологические (качественные) свойства пространства и времени в таких объектах могут быть существенно отличны.
           Так, биологическое пространство и время характеризуют особенности пространственно-временных параметров органической материи: биологическое бытие человеческого индивида, смену видов растительных и животных организмов, их жизнь и смерть.
     Одновременно идет формирование нового феномена -  психологического пространства и времени. Психическая регуляция движений индивида и его предметных действий происходит не только на уровне отражения внешнего физического пространства, но и на основе собственной телесной биомеханики и собственного пространства. Особенности психологического пространства и времени проявляются, например, на уровне коллективного бессознательного, разработку которого осуществил К. Г. Юнг. Он показал длительность формирования непроизвольных и спонтанных продуктов бессознательной психики в процессе психической эволюции, его коллективную, универсальную и безличную природу, идентичную у всех индивидов.
     Становление человеческого индивида и личности с необходимостью включает не только биологический и психологический циклы, но и социальный. Он проходит в рамках социогенеза - становления человеческого общества, развития форм социальной организации и духовной жизни. Одновременно идет процесс формирования нового феномена - социального пространства и времени.
          Социальное пространство включает пространственную организацию социальных объектов общества, которые дифференцированы, разделены и определенным образом ориентированы. Его можно характеризовать и как форму бытия социальной материи, в которой социальная энергия превращается в конкретные формы жизнедеятельности личностей и общества в целом..
        Социальное время - это определенный по длительности период, каким располагает любой социальный объект и общество в целом. Это - совокупное время существования и деятельности всех индивидов общества. При этом социальное время неотделимо от социального пространства, в рамках которого жизнедеятельность индивидов существует в форме различных институтов, общностей, групп и территориальных структур.
 
6.6. Различные космологические модели Вселенной.
           Наш мир ограничен не только в размерах, но и в масштабах.
В книге С.И. Сухоноса приводится следующая информация, отражающая масштабную гармонию Вселенной.
                                                                                                  рис. 1
       Пи этом существуют и строгие масштабные пропорции. Каждый уровень иерархии Мироздания оказывается кратен смежным уровням в отношении (105).
                                                                                           рис. 2
 
6.7. КОНЦЕПЦИИ ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ
        Особенности современной космологии
Вселенная как целое является предметом особой астрономически» науки - космологии, имеющей древнюю историю.  В наши дни космологические проблемы - не дело веры, а предмет  научного познания. Конечно, понимание этих проблем пока еще далеко от своего завершения, и, несомненно, будущее приведет к новым великим переворотам в принятых сейчас взглядах на картину мироздания. Тем не менее важно отметить, что здесь мы имеем дело именно с наукой, с рациональным знанием, а не с верованиями и религиозными убеждениями.
    Современная космология - это сложная, комплексная и быстро развивающаяся система естественно-научных (астрономия, физика, химия и др.) и философских знаний о Вселенной в целом, основанная как на наблюдательных данных, так и на теоретических выводах, относящихся к охваченной астрономическими наблюдениями части Вселенной.
      Теоретико-методологический фундамент космологии составляют современные физические теории, а также философские принципы и представления. Глубинная связь космологии и физики базируется на том, что космологи в современной Вселенной ищут «следы» тех процессов, которые происходили в момент рождения Вселенной. А такими «следами» прежде всего выступают фундаментальные свойства физического мира — три пространственных измерения и одно временное; четыре фундаментальных взаимодействия; преобладание частиц над античастицами и др. Эмпирические данные, представленные главным образом внегалактической астрономией, свидетельствуют о том, что мы живем в эволюционирующей, расширяющейся, нестационарной Вселенной.
      Имеет ли смысл рассматривать Вселенную в целом как единый целостный динамический объект? Современная космология в основном исходит из предположения, что на этот вопрос следует ответить положительно. Иначе говоря, предполагается, что Вселенная в целом подчиняется тем же естественным законам, которые управляют поведением ее отдельных составных частей. При этом определяющую роль в космологических процессах играет гравитация.
      Существует две основные группы теорий эволюции Вселенной.
               
                                                                                         рис. 3
      Понятие релятивистской космологии. Поскольку именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях, а значит, динамику космической материи в масштабах Вселенной, то теоретическим ядром космологии выступает теория тяготения, а современной космологии -  релятивистская теория тяготения. Поэтому современную космологию называют релятивистской.
          Вселенная Эйнштейна пространственно конечна; она имеет конечные размеры, но не имеет границ! В этой модели пространственный объем Вселенной с равномерно распределенными в нем галактиками конечен; но границ у этого пространства нет. Оно не распространено бесконечно во все стороны, а замыкается само на себя. Как и на поверхности сферы, в нем можно совершать «кругосветные» путешествия: обитатель такой вселенной мог бы, послав в каком-либо направлении (световой или радио) сигнал, со временем обнаружить, что этот сигнал вернулся к нему с противоположной стороны, обойдя всю Вселенную.
         Как и многие другие абстрактные понятия современной физики и астрономии, идея замкнутой, конечной, но неограниченной вселенной трудно представима в наглядных образах. Поэтому часто спрашивают, что же находится «снаружи» конечной вселенной.
         Дело в том, что этот вопрос не имеет смысла для трехмерных существ, т.е. в пространственно-временной метрике нашего мира. Как не имеет смысла аналогичный вопрос, что находится «вне» поверхности сферы, для плоских существ, вынужденных постоянно жить на сферической поверхности. В такой вселенной просто нет понятия «снаружи». Ведь различение «снаружи» и «внутри» предполагает некоторую границу, которой на самом деле нет, и каждая точка в ней эквивалентна любой другой - ни края, ни центра здесь нет.
      Нестационарная релятивистская космология. С критикой предложенной Эйнштейном космологической модели выступил наш отечественный выдающийся математик и физик-теоретик А. А. Фридман. Именно А.А. Фридман, опубликовавший свою работу в 1922 г., впервые сделал из общей теории относительности космологические выводы, имеющие поистине революционное значение: он заложил основы нестационарной релятивистской космологии. Фридман показал, что теоретическая модель Эйнштейна является лишь частным решением гравитационных уравнений для однородных и изотропных моделей, а в общем случае решения зависят от зремени.
   А. А. Фридман показал, что решения уравнений общей теории относительности для Вселенной позволяют построить три возможные модели Вселенной. В двух из них радиус кривизны пространства монотонно растет и Вселенная бесконечно расширяется (в одной модели - из точки; в другой - начиная с некоторого конечного объема). Третья модель рисовала картину пульсирующей Вселенной с периодически изменяющимся радиусом кривизны. Выбор моделей зависит от средней плотности вещества во Вселенной.
        Теория расширяющейся Вселенной основана на истолковании экспериментально зафиксированного красного смещения 85-спектральных линий галактик как следствия эффекта Допплера, объясняющего красное смещение разбеганием галактик. Однако такое истолкование не единственное, за последние десятилетия все больше накапливается сомнений в реальности расширения Вселенной. Эволюция космических систем несомненна, но следует различать объективные законы эволюции и теоретические выражения их с помощью различных моделей. В частности, явление красного смещения линий спектра может быть объяснено как следствие уменьшения энергии и собственной частоты фотонов в результате взаимодействия с гравитационными полями при движении света в течение многих миллионов лет в межгалактическом пространстве.
 Модель горячей Вселенной.
В соответствии с наиболее распространенным представлением возраст Вселенной составляет 15 млрд лет.
В основе современных представлений об эволюции Вселенной лежит модель горячей Вселенной, или «Большого Взрыва», основы которой были заложены в трудах американского физика русского происхождения Дж. Гамова и его сотрудников в конце 40-х гг. XX в.
         В соответствии с этой концепцией Вселенная на ранних стадиях расширения характеризовалась не только высокой плотностью вещества, но и его высокой температурой.
         В простейшем варианте теории горячей Вселенной предполагается, что Вселенная возникла спонтанно в результате взрыва из состояния с очень большой плотностью и энергией (состояние сингулярности). По мере расширения Вселенной температура падала (сначала быстро, а затем все медленнее) от очень большой до довольно низкой, обеспечивавшей возникновение условий, благоприятных для образования звезд и галактик. На протяжении около 1 млн лет температура превышала несколько тысяч градусов, что препятствовало образованию атомов, и, следовательно, космическое вещество имело вид разогретой плазмы, состоящей из ионизированных водорода и гелия. Лишь когда температура Вселенной понизилась приблизительно до температуры поверхности Солнца, возникли первые атомы. Таким образом, атомы - это реликты эпохи, наступившей через 1 млн лет после Большого Взрыва.      
                 
6.8. СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ. Метагалактика
         Вселенная-это сотни миллионов галактик, каждая из которых содержит миллиарды звезд.
Галактики разделены друг от друга миллионами световых лет космического пространства. Все  эти системы  вращаются вокруг оси с периодами в сотни световых лет.
    Вселенная и Метагалактика -практически трактуются как синонимы, ибо эти категории отражают разные аспекты одного и того же.  Вселенная отражает целостный, всеобщий  аспект.
      Вселенная - это сотни миллионов галактик, каждая из которых содержит миллиарды звезд. Галактики разделены друг от друга миллионами световых лет космического пространства. Все эти системы вращаются вокруг своей оси с периодами в сотни миллионов лет.
Метагалактика, в определенном смысле, отражает структурный аспект Вселенной.
 
6.8.1. Галактики.
 Галактики - это крупные системы, состоящие из звезд, газа и пыли
Сверхскопление галактик:
     Диаметр: 40 мсгапарсек Число галактик: 10 000
Центр местного сверхскопления:
в направлении созвездия Девы на расстоянии 12мегапарсек.
 Ближайшие сверхскопления:
в созвездии Льва (расстояние - 87 мегаиарсек), в созвездии Геркулеса (расстояние - 100 мегапарсек).
  Скопление галатик:
Диаметр: 5 мегапарсек, Число галактик: 100-500 (скопление в созвездии Девы 2500)
  Группа галактик:
Диаметр: 1 мегапарсек Число галактик: 5-30
Местная группа галактик : диаметр 2 мегапарсека,
2 гипергалактики, внутри которых находятся гигантские галактики: Галактика и туманность Андромеды, окруженные 27 карликовыми галактиками.
 
 6.8.2.Формы галактик.
Спиральные галактики:
  Наша  Галактика
(Млечный Путь) - типичный представи­тель спиральных га­лактик. Ее централь­ная часть имеет вид выпуклости в центре спирали. Два спиральных рукава отходят от центра, образуя плоский звездный диск. Спутник Млечного Пути, туманность Андромеды, - одна из самых массивных среди известных спиральных га­лактик. Ее масса равна 400 млрд. масс Солнца (не включая темную материю). Минимальная масса спиральной галактики - 1 млрд солнечных масс
 
 Неправильные галактики
Галактики, имеющие массу менее 1 млрд солнечных масс, не в состоянии сохранить правильный диск и устойчивые спиральные рукава. Их «растрепанный» вид дал основание назвать их «неправильными галактиками». Самые малые из неправильных галактик не намного больше, чем скопления звезд и газа, встречающиеся в рукавах спиральных галактик
 
Эллиптические галактики
Эллиптические галактики - шаровые скопления звезд, сферические или эллиптические по форме. В них содержится незначительное количество газа и пыли, поэтому в таких галактиках отсутствуют области, где могли бы зарождаться звезды и нет молодых звезд. Рождение звезд в таких галактиках происходит одновременно с образованием самих галактик. Размеры их различны - от самых больших и массивных, состоящих из миллиона миллионов (1012) звезд, до самых слабых скоплений, содержащих менее миллиона звезд
 
   Галактики  окружены энергетическими сферами. На странице "О дуализме" приведена следующая фотография,  с изображенной на ней   энергетической сферой крошечной галактики с двумя спиралевидными рукавами, заключенной вместе с группой отдельно стоящих звезд в энергетическую сферу.  Вне этой сферы есть другая огромная  энергетическая сфера (решетка из шестиугольников).
                              
                                                                       рис. 4
         Закономерность двойственности Вселенной характеризует единство Материи и окружающего ее Поля. Между ними идет обмен энергией. Кинетическая энергия Материи превращается в потенциальную энергию окружающего ее Поля и наоборот. Цикличность всех космических процессов предопределяет исход эволюции Вселенной. Она должна иметь начало и должна иметь конец, для того, чтобы начать новый цикл своей эволюции. Вселенная имеет оболочечное строение, со строгой преемственностью. Макрокосмос живет по тем же самым закономерностям, что и Микрокосмос.
       Поэтому «рыночные отношения» в макрокосмосе также осуществляются в соответствии с принципами самоорганизации.
                                                     
                                                                                 рис. 5
    Накоплен большой экспериментальный материал, который свидетельствует о разбегании галактик. Но известны и другие факты. Так, самые крупные массы Вселенной, вопреки теории общей теории относительности, разбегаются с не замедлением, а с ускорением до 20 км/с через каждый миллион световых лет расстояния, что не согласуется с теорией Большого взрыва. Общая теория относительности не затронула и трудные вопросы о том, почему происходит разбегание галактик, с одной стороны, но сбегание тел и звезд внутри галактик. Может быть, это происходит потому, что Вселенная, галактики и звезды относятся к разным собственным подпространствам. Вследствие разных наборов собственных значений ритмы «жизни» соответствующих подпространств разные, а следовательно, разные времена их жизни. Разные времена жизни собственных подпространств Вселенной характеризуют разные ритмы жизни космических объектов и могут служить косвенным доказательством того, что за циклом расширения в каждом собственном подпространстве следует цикл сжатия. Но эти циклы не обязательно означают  сжатия в "нуль".  Любое собственное пространство может колебаться вокруг своего устойчивого состояния. И если в рамках саморегуляции происходит выход  критических параметров за предельно-допустимые,  то происходит переход к следующему "возмущенному" состоянию космического объекта. Ведь атом не сжимается каждый раз в "нуль"? Он дышит, переводя электрон с одной устойчивой орбиты на другую. И Вселенная, и каждая ее самодостаточная часть,  также может дышать, переходя из одного состояния в другое, в соответствии со своей собственной гексадой эволюции (звездным тетраэдром), со своим  собственным временем эволюции.   Может быть, поэтому звезды врываются чаще, чем галактики, галактики чаще, чем Метагалактики? Интенсивное изучение галактик, открытие новых, совершенно необычных космических объектов типа квазаров привело к возникновению новых загадок и к созданию множества космологических моделей строения и происхождения Вселенной.
        Все эти модели по своей природе двойственны. Одни утверждают, что исходный материал, из которого образовались небесные тела, был сначала холодным, а затем постепенно (или, напротив, мгновенно) разогревался. Вторые доказывают обратное, что исходный материал изначально был горячим (и даже сверхгорячим), а остывание началось после образования космических протообъектов. В первом случае мы имеем дело с «холодными моделями», во втором – с «горячими». Но мир един, и он имеет два противоположных полюса. Отсюда и возникает двойственный подход к моделям происхождения Вселенной.
        Наша Галактика, по мнению большинства ученых, относится к сравнительно молодым галактикам. Она похожа на очень плоский диск с поперечником 70 000 световых лет, который вращается как полужидкое тело. Солнце находится на расстоянии 23 000 световых лет от центра Галактики, обращается вокруг него со скоростью 190 км/с и совершает один оборот за 220 млн. лет (галактический год). Из рисунка  видна еще одна замечательная особенность нашей Галактики. Она состоит из двух половинок - “верхней” и “нижней”. Если ядро нашей планеты имеет такую же структуру, то станет понятна возможная причина “вздрагивания” орбит спутников Земли при пересечении экватора.
     Таким образом, структуру спиральной галактики можно отождествить со структурой любой ядерной оболочки, которая состоит из двух подоболочек, с антипараллельными спинами.  Наша Галактика не одинока: на огромных расстояниях от нее расположены другие звездные острова, также состоящие из многих миллиардов звезд. Установлено, что основную массу во Вселенной составляют спиралевидные галактики: их около 75%, эллиптических - 20%, а имеющих неправильную форму - 5 %. Большая часть галактик входит в состав скоплений. Отдельные галактики и их скопления, как правило, являются изолированными звездными системами. Наша Вселенная еще очень молода. Возможно, что она прожила еще не более 1/ 4 отпущенного ей срока. Тогда, может быть, и наша Вселенная в целом является спиральной, как и наша галактика?  А может быть наша Вселенная еще так молода, что является не правильной? Видимо, самыми молодыми галактиками являются неправильные галактики, т.к. между ними еще существуют перемычки, которые характеризуют процессы размежевания единой галактики на два рукава. Науке известны случаи, когда галактики, расположенные относительно недалеко, влияют на форму и структуру друг друга и образуют мультидвойственные структуры. Такие галактики называются взаимодействующими. Их причудливые формы поражают исследователей. Основоположником систематизации и изучения взаимодействующих галактик является астрофизик Б. А. Воронцов-Вельяминов, который составил первый «Атлас взаимодействующих галактик», насчитывающий около 1000 объектов. По астрономической традиции в этом Атласе взаимодействующие галактики обозначаются первыми буквами фамилии составителя в латинском написании и соответствующим номером. Примеров взаимодействия галактик очень много. Их формы и особенности очень разнообразны и неповторимы: прямые, натянутые как струна прямолинейные звездные перемычки; цепочки из пяти-шести галактик; галактики, соединенные не одной, а двумя, причем дугообразными, перемычками и т. д. Также было установлено, что распределяются галактики не равномерно, а как бы по ячейкам. В стенках ячеек много скоплений галактик, а внутри - пустота. Большие скопления находятся в узлах этой ячеистой структуры. Отдельные ее фрагменты иногда называют сверхскоплениями, и они имеют сильно вытянутую, наподобие нитей, форму.
          Экспериментальная астрономия подтверждает, что по наблюдениям вспышек в других галактиках удалось установить, что взрывы Сверхновых бывают двух типов. Сверхновые 1-го типа - это довольно старые звезды с массой, лишь немного превосходящей солнечную. Такие сверхновые вспыхивают в эллиптических галактиках, а также в спиральных звездных системах. Этот класс сверхновых можно отнести к классу звездных объектов при фазовых переходах ядра системы в новое состояние (в новое собственное подпространство). Так называемые сверхновые 2-го типа вспыхивают в спиральных галактиках. Они никогда не вспыхивают в эллиптических галактиках. Они наблюдаются в спиральных ветвях, где еще продолжает идти процесс звездообразования. Это значит, что могут происходить попытки синтеза тройственных частиц, в результате которых «лишняя макрочастица» будет выброшена за пределы звездной системы (локальная перенормировка), или произойдет их слияние в новую частицу с последующим взрывом (глобальная перенормировка). Эти же закономерности имеют место и в атомах (все протоны и нейтроны в ядре атома вращаются вокруг своего “центра тяжести”) и, следовательно, отражаются в структуре и свойствах Периодической системы химических элементов. Природа всегда использует последовательно-параллельный способ соединения своих подоболочек и оболочек.
        Фазовые переходы, происходящие в звездных скоплениях нашей галактики по мере их “расталкивания – сталкивания” также заставляют всерьез задуматься о том, что существует маятник фазовых взаимопревращений, в результате которых происходит трансформация всех самодостаточных частей звездных скоплений нашей галактики и галактики в целом. Поэтому рассматривая процессы взаимодействия фундаментальной пары сил «гравитация - антигравитация» нельзя исключать гипотезу о возможных звездных катаклизмах и в нашем “уголке” Вселенной.  Возможно, что от общепланетного катаклизма спастись никому не удастся и наша цивилизация может развеяться как дым. Для наших потомков, если таковые выживут, она превратится в неопознанную цивилизацию древности, об уцелевших обломках которой в памяти “пещерных людей” сохранятся предания как о небесных посланниках. Может быть об этом свидетельствуют предания древних о всемирном потопе, о существовании и гибели Атлантиды и др. катаклизмах?  Периодичность подобных катаклизмов позволяет всерьез задуматься об их истинных причинах, к которым должен иметь непосредственное отношение Универсальный закон Вселенной. Возможные причины периодической инверсии полюсов обосновываются на страницах данного сайта (подробнее).
 
6.8.3. ЗВЕЗДЫ И ЗВЕЗДНЫЕ СИСТЕМЫ
      Современная астрономия располагает методами определения основных звездных характеристик: светимости, поверхностной температуры (цвета), радиуса, химического состава и массы. И оказывается, что эти характеристики не являются независимыми. Так, например, существует функциональная зависимость между радиусом  звезды, ее болометрической (интегральной по всему спектру)светимостью и  поверхностной температурой.
                
                                                                                 рис. 6
        На рисунке   изображена диаграмма  Герцшпрунга-Рассела для звезд с близкими светимостями и спектрами. Главная последовательность отражает "стрелу оптимальности", вдоль которой происходит эволюция звезд.
      На рисунке видна последовательность  звезд, расположенная ниже главной последовательности  ("субкарлики"). Спектральные исследования выявили очень любопытную деталь. Их химический состав резко отличается от состава звезд Главной Последовательности малым наличием  тяжелых элементов.
     Отметим, что  вид диаграмм Герцшпрунга-Рассела для  различных звездных скоплений весьма различен (рис. 2).
                                            
                                                                       рис. 7
              На рисунке представлена сводная диаграмма  Герцшпрунга-Рассела для звездных 11 скоплений (И.С. Шкловский. "Вселенная, жизнь, разум"М., Наука, 1980г.).  Из этих рисунков видно, что разных участках Главной Последовательности от нее отпочковываются звездные семейства (скопления).
     Тот факт, что практически  все звезды имеют собственную эволюционную "нишу" может свидетельствовать  о наличии в природе звезд устойчивых соотношений функциональных параметров, обеспечивающих  их стабильное и долгое существование.
   Одна из  особенностей Главной Последовательности  является то, что она состоит из параллельных линий-последовательностей со строго фиксированным процентом тяжелых элементов. Нижний край полосы Главной Последовательности заселен звездами с незначительным наличием в них тяжелых элементов (количество элементов тяжелее водорода Z=0,01).
                                       
                                                                         рис. 8
         По мере продвижения вверх доля тяжелых элементов растет, и на правом краю Главной Последовательности Z=0,6.
            Рассмотренные особенности эволюции звезд и звездных систем, тяготеющим к строго определенным, собственным эволюционным "нишам" и ветвям, позволяет сделать первое предположение о том, что эволюция звезд и звездных систем подчиняется определенным периодическим закономерностям.
           Во-первых, существование главной последовательности в пределах  "цветов радуги" позволяет сделать вывод о том, что  Главная Последовательность отражает только "проявленную" компоненту Мироздания, в которую звезды могут  "вливаться"из нижестоящих ПОТОКОВ МИРОЗДАНИЯ и завершив свой путь по  Главной  Последовательности, или ее ветвям,  эти звезды затем  могут исчезать с горизонта "осознанного мира".
В общем виде в космологии различают следующие виды звезд.
                  
                                                                                                 рис. 9
 
 6.8.4. ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД
Общую схему эволюции звезд можно представить в виде следующей схемы.
                 
                                                                                              рис. 10
 
6.8.5. Солнечная система
    Солнечная система представляет собой группу небесных тел, весьма различных по размерам и физическому строению. В эту группу входят: Солнце, девять больших планет, десятки спутников планет, тысячи малых планет (астероидов), сотни комет   и бесчисленное множество метеоритных тел, движущихся как роями, так и в виде отдельных частиц. К 1979 г. было известно 34 спутника и 2014 астероидов. Все эти тела объединены в одну систему благодаря силе притяжения центрального тела — Солнца. Солнечная система является упорядоченной системой, имеющей свои закономерности строения. Единый характер Солнечной системы проявляется в том, что все планеты вра­щаются вокруг Солнца в одном и том же направлении и почти в одной и той же плоскости. Большинство спутников планет (их лун) вращается в том же направлении и в большинстве слу­чаев в экваториальной плоскости своей планеты. Солнце, планеты, спутники планет вращаются вокруг своих осей в том же направлении, в котором они совершают движение по своим траекториям. Закономерно и строение Солнечной системы: каждая следующая планета удалена от Солнца примерно в два раза дальше, чем предыдущая. Принимая во внимание законо­мерности строения Солнечной системы, кажется невозможным ее случайное образование.
    О механизме образования планет в Солнечной системе также нет общепризнанных заключений. Солнечная система, по оценкам, образовалась примерно 5 млрд лет назад, причем Солнце - звезда второго (или еще более позднего) поколения. Таким образом, Солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звезд предыдущих поколений, скапливавшихся в газово-пылевых облаках. Это обстоятельство дает основание назвать Солнечную систему малой частью звездной пыли.
      О происхождении Солнечной системы и ее исторической эволюции наука знает меньше, чем необходимо для построения теории планетообразования. От первых научных гипотез, выдвинутых примерно 250 лет назад, до наших дней было пред­ложено большое число различных моделей происхождения и развития Солнечной системы, но ни одна из них не удостои­лась перевода в ранг общепризнанной теории. Большинство из выдвигавшихся ранее гипотез сегодня представляет лишь исторический интерес.
        Первые теории происхождения Солнечной системы были выдвинуты немецким философом И. Кантом и французским математиком П. С. Лапласом. Их теории вошли в науку как некая коллективная космогоническая гипотеза Канта-Лапласа, хотя разрабатывались они независимо друг от друга
Согласно этой гипотезе система планет вокруг Солнца о разевалась в результате действия сил притяжения и отталкив ния между частицами рассеянной материи (туманности), нахдящейся во вращательном движении вокруг Солнца.
    Началом следующего этапа в развитии взглядов на образование Солнечной системы послужила гипотеза английского физика и астрофизика Дж. X. Джинса. Он предположил, что  когда-то Солнце столкнулось с другой звездой, в результате чего из него была вырвана струя газа, которая, сгущаясь, преобразовалась в планеты. Однако, учитывая огромное расстояние между звездами, такое столкновение кажется совершенно невероятным. Более детальный анализ выявил и другие недостать этой теории.
Современные концепции происхождения планет Солнечно системы основываются на том, что нужно учитывать не толы механические силы, но и другие, в частности электромагнитные. Эта идея была выдвинута шведским физиком и астрофизиком X. Альфвеном и английским астрофизиком Ф. Хойло).
   Считается вероятным, что именно электромагнитные сил сыграли решающую роль при зарождении Солнечной систем! В соответствии с современными представлениями, первоначальное газовое облако, из которого образовались и Солнце планеты, состояло из ионизированного газа, подверженного влиянию электромагнитных сил. После того как из огромного газового облака посредством концентрации образовалос Солнце, на очень большом расстоянии от него остались т большие части этого облака. Гравитационная сила стала npитягивать остатки газа к образовавшейся звезде - Солнцу, и его магнитное поле остановило падающий газ на различны расстояниях - как раз там, где находятся планеты. Гравитационная и магнитные силы повлияли на концентрацию и сгущение падающего газа, и в результате образовались планеты. Когда возникли самые крупные планеты, тот же процесс повторился в меньших масштабах, создав таким образом систем) спутников. Теории происхождения Солнечной системы нося гипотетический характер, и однозначно решить вопрос об и достоверности на современном этапе развития науки невоз можно. Во всех существующих теориях имеются противоречи и неясные места.

    © Беляев М.И., "МИЛОГИЯ", 2015г.
 Опубликован: 26/10/2013г., обновлен: 14 ноября 2014.
           Сайт ЯВЛЯЕТСЯ ТВОРЧЕСКОЙ МАСТЕРСКОЙ АВТОРА, открытой для всех посетителей. Убедительная просьба сообщать  о всех замеченных ошибках, некорректных формулировках.
         Книги "Основы милогии", "Милогия" могут  быть высланы в Ваш адрес наложенным платежом,
URL1: milogy.net 
e-mail: [email protected]  

Карта сайта

 
rss
Карта