Е.52. Эволюция Вселенной. Космологические модели Аристотеля, Ньютона, Эйнштейна, Фридмана, Гамова

Космологическая модель Аристотеля

По Аристотелю, Вселенная делится на две части: нижнюю (подлунную) и верхнюю (надлунную). Подлунная область состоит из четырех элементов: земли, воды, воздуха, огня. Эта область изменчива, ее нельзя описать на языке математики. Надлунная область – неизменна и вечна, соответствует идеалу совершенной гармонии. Она состоит из эфира, особого вида материи, который не встречается на Земле. Каждому виду материи соответствует свое место во Вселенной: земля – в центре мира, затем идет вода, воздух, огонь, эфир. Бренность земного доказывалась тем, что движение там шло по вертикальным линиям и имело начало и конец. Элемент подлунного мира всегда стремится на свое место, для этого он приводил доказательство: если поднять в руке горсть земли, она упадет вниз, а если разжечь огонь, то он будет стремиться вверх.

Земля, являющаяся центром Вселенной, шарообразна. Это геоцентрическая система мира. Доказывал это Аристотель характером лунных затмений, при которых тень, бросаемая Землёй на Луну, имеет по краям округлую форму, что может быть только при условии шарообразности Земли. Используя расчеты античных математиков, Аристотель считал окружность Земли равной 400 тыс. стадий (для нас недостаточно определенная единица измерения расстояния, предположительноот 185 до 195 м). Аристотель первым доказал шарообразность и Луны на основе изучения её фаз.

Геоцентрическая космология Аристотеля сохранилось вплоть до Коперника. Он считал шарообразным и небесный свод, и все небесные светила. Но доказывал эту мысль Аристотель неправильно: шарообразность небесных светил он выводил из ложного взгляда, что «сфера» является наиболее совершенной формой.

Космологическая модель Ньютона

Физическая космология нашла своё продолжение в трудах Исаака Ньютона, который завершил создание этой модели формулировкой законов механики и выводом закона тяготения. После открытия звёзд и отождествления их с Солнцем, а также после открытия нашей Галактики и большого количества других галактик в самых отдалённых участках пространства, доступных наблюдению, модель Солнечной системы потеряла значение модели Вселенной. Создание новой модели Вселенной было начато из гипотезы о распространённости законов механики и всех других законов природы, открытых в Солнечной системе, на все участки пространства и тела в нём. Базой для такой гипотезы послужили выводы теории Ньютона о распространённости законов механики на все тела Солнечной системы. Распространённость законов механики и некоторые другие законы природы (в частности законов квантовой механики, которую можно считать основой химии, законов термодинамики, электромагнетизма и т. п.) на удалённые объекты космоса с развитием наблюдательную астрономии неоднократно проверялась и подтверждалась в явной и неявной формах в работах многочисленных астрономов.

Космологическая модель Эйнштейна

Новая модель Вселенной была создана в 1917 г. А. Эйнштейном. Ее основу составила релятивистская теория тяготения — общая теория относительности. Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяются распределением в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но при этом замкнута в пространстве. Согласно этой модели, пространство однородно и изотропно, т.е. во всех направлениях имеет одинаковые свойства, материя распределена в нем равномерно, время бесконечно, а его течение не влияет на свойства Вселенной. На основании проведенных расчетов Эйнштейн сделал вывод, что мировое пространство представляет собой четырехмерную сферу.

При этом не следует представлять себе данную модель Вселенной в виде обычной сферы. Сферическое пространство есть сфера, но сфера четырехмерная, не поддающаяся наглядному представлению. По аналогии можно сделать вывод, что объем такого пространства конечен, как конечна поверхность любого шара, ее можно выразить конечным числом квадратных сантиметров. Поверхность всякой четырехмерной сферы также выражается конечным числом кубометров. Такое сферическое пространство не имеет границ, и в этом смысле оно безгранично. Летя в таком пространстве в одном направлении, мы, в конце концов, вернемся в исходную точку. Но в то же время муха, ползущая по поверхности шара, нигде не найдет границ и преград, запрещающих ей двигаться в любом избранном направлении. В этом смысле поверхность любого шара безгранична, хотя и конечна, т.е. безграничность и бесконечность — это разные понятия.

Модель Вселенной Эйнштейна стала первой космологической моделью, базирующейся на выводах общей теории относительности. Это связано с тем, что именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях. Поэтому теоретическим ядром современной космологии выступает теория тяготения — общая теория относительности. Эйнштейн допускал в своей космологической модели наличие некой гипотетической отталкивающей силы, которая должна была обеспечить стационарность, неизменность Вселенной. Однако последующее развитие естествознания внесло существенные коррективы в это представление.

Космологическая модель Фридмана

Пять лет спустя, в 1922 г., 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 предложил три модели развития Вселенной.

В первой модели Вселенная расширяется медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого Вселенная начинала сжиматься. В этой модели пространство искривляется, замыкаясь на себя, образуя сферу.

Во второй модели Вселенная расширялась бесконечно, а пространство искривлено как поверхность седла и при этом бесконечно.

В третьей модели Фридмана пространство плоское и тоже бесконечное.

Космологическая модель Гамова

Представление о развитии Вселенной закономерно привело постановке проблемы начала эволюции (рождения) Вселенной и ее конца (смерти). В настоящее время существует несколько космологических моделей, объясняющих отдельные аспекты возникновения материи во Вселенной, но они не объясняют причин и процесса рождения самой Вселенной. Из всей совокупности современных космологических теорий только теория Большого взрыва Г. Гамова смогла к настоящему времени удовлетворительно объяснить почти все факты, связанные с этой проблемой. Основные черты модели Большого взрыва сохранились до сих пор, хотя и были позже дополнены теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными А. Гутом и П. Стейн-хардтом и дополненной советским физиком А.Д. Линде. В 1948 г. выдающийся американский физик русского происхождения Г. Гамов выдвинул предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, происшедшего примерно 15 млрд. лет тому назад.