Раздел  Космология : >>>
  > Введение и история Стр. 1

1. Космология         

1.1. Введение и история            

          Астрономия – это наука о строении космических тел, их систем и Вселенной в целом. Ее задачами являются: исследования тел Солнечной системы, звезд, галактик, межзвездного вещества, их распределения в пространстве, движения, физической природы, происхождения, развития и так далее. Астрономия изучает и разрабатывает способы использования знаний о небесных телах для практических нужд человечества. Астрономия возникла в глубокой древности в результате потребности человека ориентироваться в пространстве и определять время.
Благодаря астрономическим измерениям египтяне за 28 веков до н.э. определили продолжительность года в 365,25 суток. Период повторения солнечных затмений, составляющий 18 лет и 10 дней, был известен уже в 6 веке до н.э. Период чередования лунных фаз был известен с точностью до нескольких минут уже в 5 веке до н. э.
Все эти сведения были получены на основе многовековых наблюдений небесных явлений древними народами Китая, Египта, Индии и Греции. Развитие астрономии от древних времен до наших дней стимулировало многие направления в науке.
Космология – это учение о Вселенной как о едином целом и обо всей охваченной астрономическими наблюдениями области Вселенной как части целого. Космология является разделом астрономии. Выводы космологии (модели Вселенной) основываются на законах физики и данных наблюдательной астрономии, а также на философских принципах (в конечном счете, на всей системе знаний – картине мира) своей эпохи. Важнейшим философским постулатом космологии является положение, согласно которому законы природы (законы физики), установленные на основе изучения весьма ограниченной части Вселенной, могут быть распространены на всю Вселенную.
В наивной форме космологические представления зародились в глубочайшей древности в результате попыток человека осознать свое место в мироздании. Эти представления являются характерной составной частью различных мифов и верований. Более строгим логическим требованиям удовлетворяли космологические представления античных философов школ Демокрита, Пифагора, Аристотеля (4 – 5 века до н.э.). Влияние Аристотеля на космологию, создавшего теорию гомоцентрических сфер, согласно которой планета прикреплена к поверхности полой сферы, центр которой совпадает с центром Земли, сохранялось в течение почти двух тысячелетий. Первая математическая модель Вселенной, основанная на всей совокупности данных астрономических наблюдений, представлена в "Альмагесте" Птолемея (2 век н.э.). Здесь вращающиеся сферы были заменены кругами (эпициклами), и принималось, что все небесные светила движутся равномерно по окружности вокруг Земли, которая представлялась в виде шара и находилась в центре Вселенной. Эта геоцентрическая система мира объясняла все известные в ту эпоху астрономические явления и господствовала около полутора тысяч лет. За это время не было сделано практически никаких астрономических открытий, но стиль мышления существенно изменился.

 
  Наверх

  > Введение и история  (продолжение) Стр. 2

В связи с развивающимся мореплаванием и геофизическими исследованиями, требовавшими уточнения знаний положения звезд и планет, главным образом в Германии были возобновлены наблюдения для усовершенствования планетных таблиц, что привело к противоречию с теорией эпициклов планет в "Альмагесте". Обобщив эти знания, польский астроном Николай Коперник (1473 – 1543 гг.) в своей работе "Об обращениях небесных сфер" в 1543 году дал ключ к познанию Вселенной, перейдя к гелиоцентрической модели. В этой модели Солнце было в центре, и вокруг него двигались планеты, в том числе и Земля вместе со своим спутником Луной, при этом Земля вращалась вокруг своей оси.
Однако, как часто бывает в истории человечества, Коперник, по существу, реанимировал идею древнегреческого астронома Аристарха Самосского, который еще в 3 веке до н.э. высказал мысль о том, что Земля движется вокруг Солнца, а Гераклит еще раньше предполагал, что Земля вращается вокруг своей оси. Кроме того, Коперник использовал представление о "центре притяжения", в общем виде сформулированном Леонардо да Винчи и Николаем из Кузо. При этом каждый такой центр мыслился как независимый мир во всей видимой Вселенной.
Основанная на учении Коперника революция в космологии явилась исходным пунктом революции в астрономии и естествознании в целом.
Все возможности, заключающиеся в гелиоцентрической теории, были вскрыты Иоганном Кеплером (1571 – 1630 гг.). Он построил астрономию без гипотез, присущих Копернику. Комбинируя видимое движение планеты в надлежащие выбранные моменты и сопоставляя их с одновременными движениями Солнца, он делает первое свое открытие – движение каждой планеты происходит в плоскости, проходящей через центр Солнца. Далее, Кеплером был получен закон площадей. И, наконец, после ряда проб и ошибок, им было определено, что траектория планет лучше всего представляется эллипсом.
Все эти результаты составляют три закона Кеплера, формулируемые обычно следующим образом:
       1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.
       2. Площадь сектора, описываемого радиусом-вектором планеты, изменяется пропорционально времени.
       3. Квадраты периодов обращения планет относятся как кубы больших полуосей их орбит.
Исаак Ньютон (1642 – 1727 гг.), используя законы Кеплера, смог завершить открытие основных законов динамики, начатые Галилеем (1564 – 1642 гг.), Декартом (1596 – 1650 гг.), Гюйгенсом (1629 – 1695 гг.).
Создание динамики позволило совсем по иному подойти к движению планет и количественно найти силу, связывающую небесные тела. Ньютон установил, что силы взаимного притяжения между небесными телами складывается из сил притяжения их частиц. Основываясь на этом факте, он сформулировал закон всемирного тяготения: каждые две частицы вещества притягивают друг друга с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадратам расстояния между ними:
          F = GMm / r 2 ,
где G – гравитационная постоянная, M и m – массы гравитирующих тел, r – расстояние между телами.
Согласно закону Ньютона сила тяготения зависит только от положения частиц в данный момент времени, и поэтому гравитационное взаимодействие распространяется мгновенно.

 
  Наверх

  > Введение и история  (продолжение) Стр. 3

В формулу, описывающую движение планет, обычно входит  = GM . Это произведение было измерено с большой точностью во времена Ньютона. Для определения же константы G требуются лабораторные опыты по измерению силы гравитационного взаимодействия двух тел с известной массой. Только после смерти Ньютона в 1798 году Г. Кавендиш нашел G и определил массы Солнца, Земли и других небесных тел.
Изучая теорию движения материальных точек, притягивающихся друг к другу, по найденным им законам, Ньютон установил, что тело сферической формы притягивает внешнюю точку так же, как если бы его масса была сосредоточена в центре.
Изучение притяжения, производимого однородным телом вращения на точку, лежащую на оси вращения, позволило, далее, сравнить притяжение, производимое эллипсоидом вращения в точке, лежащей на его полюсе, и в точке, лежащей на экваторе. А это в свою очередь дало Ньютону возможность сделать новый, весьма важный шаг в деле выяснения формы Земли.
До Ньютона строго сферическая форма Земли была общепринятой научной истиной – задача заключалась лишь в возможно точном нахождении радиуса Земли. Ньютон показал, что необходимым следствием закона тяготения является "фигура Земли, не вполне сферическая, а образуемая вращением эллипса около его малой оси".
Не менее важным открытием Ньютона было гравитационное объяснение причин приливов океанов, вызванных движением Луны.
Ставя своей целью разработку математической теории движения небесных тел, Ньютон выдвигал на первый план точную количественную формулировку закона всемирного тяготения, оставляя открытым вопрос о физической природе гравитационных взаимодействий. К гипотезам о механизме этих взаимодействий он проявляет сдержанное, порой даже несколько высокомерное отношение, выразившееся в его знаменитом "hypotheses non fingo". Во втором издании "Начал" в "Общем поучении" сказано: "До сих пор я изъяснил небесные явления и приливы наших морей на основании силы тяготения, но я не указывал причины самого тяготения. Эта сила происходит от некоторой причины, которая проникает до центра Солнца и планет без уменьшения своей способности и которая действует не пропорционально поверхности частиц, на которые она действует (как это обыкновенно имеет место для механических причин), но пропорционально количеству твердого вещества, причем ее действие распространяется повсюду на огромные расстояния, убывая пропорционально квадратам расстояний. Причину этих свойств силы тяготения я до сих пор не мог вывести из явлений, гипотез же я не измышляю... Довольно того, что тяготение на самом деле существует и действует согласно изложенным нами законам, и вполне достаточно для объяснения всех движений небесных тел и моря". При этом Ньютон предполагал, что гравитационное взаимодействие между телами происходит с бесконечной скоростью. Тем самым он ввел новое понятие – дальнодействие. Однако он здесь вступил в противоречие со своим вторым законом механики, из которого следует, что при бесконечных скоростях движения тел или их взаимодействия энергия становится бесконечной. То есть, некая "субстанция", осуществляющая взаимодействие между двумя телами, должна иметь бесконечно малую массу при бесконечно большой скорости. Естественно, возник первый парадокс, который так и не был разрешен до настоящего времени.

 
  Наверх

  > Введение и история  (продолжение) Стр. 4

Дальнейший прогресс в астрономии после Ньютона тесно связан с развитием математики и аналитической механики, с одной стороны, и с успехами оптики астрономического наблюдения, с другой.
Важнейшей задачей ньютоновской небесной механики является задача движения двух точечных материальных тел, например, когда планета движется в гравитационном поле центрального тела – Солнца. Выяснилось, что в реальном случае, при наличии взаимного притяжения между всеми телами Солнечной системы движение планет сложнее, чем описываемое законами Кеплера. Гравитационная сила, выражающаяся простой формулой в случае притяжения между двумя материальными точками, приводит к очень сложным математическим построениям в случае нескольких точек. Именно такими являются все тела Солнечной системы, да и все космические тела вообще. Решение этой сложнейшей задачи было выполнено приближенно благодаря трудам многих математиков, прежде всего Ж. Лагранжа, Л. Эйлера, П. Лапласа, К. Гаусса и ряда других. Однако А. Пуанкаре в 19 веке доказал теорему, из которой следует, что решить точно задачу трех и более тел невозможно за исключением трех тел, двигающихся по углам равнобедренного треугольника. По существу, Пуанкаре обосновал второй парадокс ньютоновской механики.
В дальнейшем было выявлено еще два космологических парадокса, возникающих при применении классической (ньютоновской) физики: фотометрический Шезо-Ольберса и гравитационный Неймана-Зелигера. Классическая физика затрудняется объяснить фотометрический парадокс, то есть, почему ночью темно, если повсюду в бесконечном пространстве бесконечной Вселенной имеются излучающие звезды и вся поверхность неба должна быть ослепительно яркой. Гравитационный парадокс имеет менее очевидный характер и состоит в том, что закон всемирного тяготения Ньютона не дает какого-либо разумного ответа на вопросы о гравитационном поле, создаваемом бесконечной системой масс (если только не делать очень специальных предположений о характере пространственных распределений этих масс или конечности гравитационных взаимодействий). Лаплас нашел, что для бесконечного гравитационного поля и ограниченной системы масс может наступить эффект гравитационного удержания света, то есть, эффект "черной дыры". Однако до сих пор черные дыры так и не были обнаружены.
В 1963 году А. Финзи, обсуждая особенности наблюдаемых движений в скоплении галактик, высказал гипотезу о том, что на расстояниях порядка килопарсека сила гравитационного притяжения убывает медленнее, чем это следует из закона обратных квадратов.
Кроме того, если скопления галактик являются стационарными образованиями, то они должны отвечать известной теореме вириала:
          2K + U = 0 ,
где K – кинетическая энергия поступательных движений галактик, U – потенциальная энергия, обусловленная гравитационным притяжением между ними. Между тем, применение этой теоремы к конкретным скоплениям приводит к противоречию, обусловленному нестабильностью скоплений из-за высоких скоростей галактик и связанным с ним коротким временем жизни скоплений (порядка нескольких сотен миллионов лет). Это короткое время трудно соотнести с относительно большими оценками возраста отдельных галактик. [с. 336, Богородский А.Ф. Всемирное тяготение. Киев. Наукова Думка. 1971.351 с].

 
  Наверх

  > Введение и история  (продолжение) Стр. 5

Для преодоления указанных трудностей предполагается, что при расстояниях килопарсек и более формула обратных квадратов должна быть заменена законом, определяющим менее быстрое убывание самой силы тяготения. А. Финзи также приводит несколько других независимых соображений в пользу гипотезы о более медленном убывании сил тяготения на расстояниях, больших килопарсека.
Этот фундаментальный вывод показывает, что гомологический ряд, по-видимому, заканчивается на галактиках. В пользу этого говорит и то, что существует большое количество сталкивающихся галактик, чего не наблюдается в более низком уровне иерархии – столкновений между звездами и планетами.
Следовательно, предположение Ньютона о том, что гравитационные силы распространяются на бесконечность, не имеет экспериментального подтверждения. Это значит, что верхний предел интегрирования в уравнениях Ньютона там, где это необходимо, должен быть ограничен килопарсеком. Отсюда вытекает пятый парадокс ньютоновской механики.
Решая движения тел под действием сил тяготения, Ньютон предположил, что инертная масса как коэффициент инерции остается пропорциональной гравитационной массе как коэффициенту притяжения. При небольших скоростях, что свойственно движениям планет, эти коэффициенты – массы – практически совпадают. Ньютон, а затем большое количество его последователей, при исследовании движения маятников в гравитационном поле Земли пришли к заключению, что гравитационная и инертная массы равны.
Однако Пуанкаре подверг сомнению это равенство масс в условиях больших скоростей. Он говорил: "Масса – коэффициент инерции – возрастает вместе со скоростью. Следует ли из этого заключить, что масса – коэффициент притяжения – также возрастает вместе со скоростью и остается пропорциональной коэффициенту инерции или же, что этот коэффициент притяжения остается постоянным? Это тот вопрос, решить который у нас нет никакой возможности". По существу, Пуанкаре обозначил шестой парадокс ньютоновсой механики.
После открытия галактик принимались многократные неудачные попытки описать их спиралевидную форму только с помощью ньютоновского интеграла движения. И в конечном итоге, утвердилось мнение, что приходится вводить еще, как минимум, один интеграл движения. И такая необходимость введения неньютоновского интеграла движения собою рождает седьмой парадокс ньютоновской механики – парадокс галактического движения. Итак, из классической физики (ньютоновской механики) следует семь парадоксов, не разрешенных до настоящего времени:
       1. Дальнодействие – бесконечная скорость гравитационного взаимодействия.
       2. Задача движения трех и более тел в гравитационном поле.
       3. Фотометрический.
       4. Гравитационный (черные дыры).
       5. Ограниченность гравитационного взаимодействия.
       6. Эквивалентность гравитационной и инертной масс при высоких скоростях .
       7. Парадокс галактического движения.

 
  Наверх

  > Введение и история  (продолжение) Стр. 6

Попытки разрешить эти парадоксы принимались неоднократно. Многочисленные попытки уточнить закон тяготения связаны с отказом от принципа гравитационного дальнодействия – наиболее слабого момента механики Ньютона. Первая из таких попыток была предпринята, по-видимому, Лапласом, который пришел к заключению, что дополнение теории Ньютона постулатом конечной скорости передачи гравитации V приводит к значительным трудностям в небесной механике. Он дополнил уравнения Ньютона множителем, учитывающим скорость движения небесных тел:
           F = ( M /  r 3 ) ( 1   v  / V ) r .
Из этого уравнения следует, что приближающаяся со скоростью v масса притягивается слабее, а удаляющаяся – сильнее, чем это следует из закона Ньютона. Оценивая по этой формуле параметры орбит Луны и Юпитера, он нашел, что скорость гравитационного взаимодействия большая, но конечная и должна превышать 107с, где с – скорость света. Однако он не указал природу гравитационного взаимодействия и не смог разрешить оставшиеся парадоксы. И его оценки, как это часто бывает, были забыты.
Следующая попытка избавиться от парадоксов ньютоновской физики была предпринята А. Эйнштейном. В 1916 году он создал общую теорию относительности – ОТО. Основой его теории послужили интерференционные эксперименты Майкельсона-Морли (1886) по движению света относительно эфира. Вследствие того, что эти эксперименты не подтвердили наличие эфира, а также независимость скорости света от скорости движения источника, Эйнштейн эти факторы просто постулировал. Кроме того, в этой теории парадокс Ньютона об эквивалентности гравитационной и инертной масс был возведен в ранг постулата. Этот постулат называется принципом эквивалентности гравитационной и инертной масс. То есть, согласно принципу эквивалентности, никакими наблюдениями, используя любые законы природы, нельзя отличить ускорение, создаваемое однородным полем тяготения g, от ускорения a движущейся системы координат, то есть, gm = am .
Так как здесь ускорение а = dv / dt , то становится не ясным, при какой скорости выполняется это равенство. Постулировав в ОТО принцип эквивалентности, Эйнштейн же расширил его действие до скоростей, близких к скорости света. При этом он брал за основу эксперименты с маятником, начатые еще Ньютоном и продолженные Р. Этвешем (1922) и его последователями, в которых этот принцип эквивалентности был проверен в лабораториях с точностью до 10–12. Однако все эти эксперименты проводились при небольших скоростях и комнатных температурах, а такой формальный перенос результатов экспериментов, выполненных при малых скоростях, на скорости, соизмеримые со скоростью света, неправомочен.
Кроме этого, Эйнштейн фактически постулировал принцип инвариантности для физических законов относительно лоренц-преобразований. Он основывался на недостаточной экспериментальной базе, которая относилась только к электромагнитным взаимодействиям. Например, увеличение массы заряженных частиц происходит при их движении в электрическом/магнитном поле, но не гравитационном. Здесь был просто «забыт» очень важный факт, что заряд и массу электрона физически невозможно разделить. В этом случае, все преобразования Лоренца можно непосредственно отнести не к массе, а к заряду электрона, т.е., можно интерпретировать изменение не массы, а отношения массы к заряду. Или такое явление как полная аннигиляция, т.е., полное преобразование массы частицы в электромагнитное излучение, имеет место только для электрона и позитрона. Поэтому знаменитая формула E = mc2, которая была выведена первоначально для электромагнитной энергии в замкнутом объеме, чисто формально была перенесена Эйнштейном на все виды материи и энергии.

 
  Наверх

  > Введение и история  (продолжение) Стр. 7

Кроме того, он утверждал, что все физические процессы протекают совершенно одинаково (при одинаковых условиях) в инерциальной системе отсчета, находящейся в однородном гравитационном поле, и в системе отсчета, движущейся прямолинейно и поступательно с ускорением при отсутствии гравитационного поля, хотя по существу все движения в природе являются криволинейными-спиралеобразными. Например, мы вращаемся вокруг земной оси, Земля вращается вокруг Солнца, Солнце – вокруг галактики. И все эти движения являются не замкнутыми по кругу, а спиральными. Обратим внимание на то, что после опытов Майкельсона-Морли были проведены Саньяком аналогичные эксперименты, но с вращающимся вокруг своей оси интерферометром. В них Саньяк нашел зависимость скорости света от тангенциальной составляющей скорости вращения интерферометра. В дальнейшем Майкельсон-Гель в 1924 г. подтвердили выводы Саньяка. В настоящее время на основе эффекта Саньяка выпускается большое количество гироскопов. При их исследовании было выявлено, что при превышении тангенциальной составляющей скорости свыше 0.8 м/с эффект Саньяка исчезает – как бы происходит некое насыщение.А эксперименты типа Майкельсона ставились при скорости движения Земли относительно эфира 30 м/с, т.е., заведомо в области насыщения. Поэтому эффекта зависимости скорости света от скорости движения источника и не наблюдалось.
Кроме того, при исследовании скорости распространения электромагнитного излучения с разными длинами волн была обнаружена дисперсионная зависимость скорости света от энергии фотона [Вафиади В.Г., Попов Ю.В. Скорость света и ее значение. Минск. Изд. БГУ. 1970]. Разброс скорости лежит в пределах 0.8% в диапазоне от сантиметровых до ангстремных волн. Эти факты явно противоречат постулатам теории относительности и, в первую очередь, принципу абсолютности скорости света.
Идею инвариантности физических законов Эйнштейн позаимствовал у Пуанкаре. Однако сам Пуанкаре постоянно подвергал сомнению справедливость своей же гипотезы. В подтверждение сомнений Пуанкаре в 80-х годах XX века Шпитальная А. А. и Ефимов А. А. нашли очень интересный факт, полностью противоречащий ОТО. Ими было установлено, что Солнце, Земля и ряд других планет имеют не сплюснутую эллипсообразную форму, как считал Ньютон, а несколько вытянутую – каплевидную. Причем, вытянутость этой капли направлена по направлению движения Солнечной системы к своему апексу. Отсюда следует, что по изменению формы космического корабля (в нашем случае – Земли) мы можем определить абсолютную скорость движения корабля, даже не выглядывая наружу корабля.
Аналогичные эффекты были обнаружены еще в начале ХХ века астрономами при наблюдении звезд с помощью телескопов с ртутными зеркалами. Они наблюдали деформацию изображения за счет деформации самого зеркала по направлению движения галактики к апексу. Так, известный французский астроном Курвузье с помощью этих зеркал нашел даже, что скорость движения нашей галактики равна порядка 600 км/с. Курвузье решил проверить этот вывод путем синхронизации маятниковых часов, расположенных в разных точках земного шара. Он нашел, что расхождение в периодах колебаний маятников можно связать с деформацией формы Земли из-за ее движения к апексу галактики. Этот факт снова был подтвержден в 1965 году,, когда было найдено микроволновое фоновое излучение, которое изотропно заполняет все космическое пространство. Было найдено, что скорость движения нашей галактики относительно этого фонового излучения также порядка 600 км/с.
Все эти неопровержимые экспериментальные факты говорят о существовании абсолютной системы отсчета Галилея, которую за основу брал еще Ньютон. Поэтому можно говорить, в принципе, об абсолютности движения нашей Земли, а не относительности, как у Эйнштейна.

 
  Наверх

  > Введение и история  (продолжение) Стр. 8

Пытаясь устранить первый парадокс Ньютона, Эйнштейн нашел уравнения, выражающие связь между распределением и движением материи с одной стороны и геометрическими свойствами пространства-времени с другой. По существу он заменил старый эфир 19 века на новый эфир в виде искривленного пространства-времени в форме тензорного поля. В геометрической интерпретации движение точки в гравитационном поле в ОТО представляет собой движение по 4-мерной траектории – геодезической линии пространства-времени. В мире, обладающем кривизной, геодезическая линия обобщает понятие прямой линии евклидовой геометрии. Уравнения движения вещества сводятся к уравнениям движения для точечных тел. Формально его уравнения не сводятся к уравнениям Ньютона, но также описывают движения космических тел и один новый дополнительный эффект – аномальный сдвиг перигелия планет и, в частности, Меркурия.
Второй парадокс ньютоновской теории не решается и в ОТО.
Часто пытаются с помощью ОТО объяснить третий и четвертый парадоксы, вводя понятие нестационарной (расширяющейся / сжимающейся) Вселенной, полагаясь всего на один экспериментальный факт – "красное смещение" галактик, то есть, предполагается, что галактики разбегаются в разные стороны, причем скорость разбегания увеличивается с расстоянием. Однако при таком подходе возникает новый парадокс – видимые размеры галактик должны увеличиваться, а сами галактики от центра взрыва должны разбегаться прямолинейно по радиусам от центра взрыва. Этого экспериментально не наблюдается.
Кроме того, в ОТО постулируется, что скорости любых взаимодействий в природе не должны превышать скорости света, что, естественно, противоречит ньютоновской теории и оценкам Лапласа скорости гравитационного взаимодействия, значительно превышающей скорость света. Кроме того, в ОТО нарушаются фундаментальные законы сохранения энергии и импульса.
После открытия А. Пензиасом и Р. Вильсоном в 1965 году изотропного микроволнового фонового (реликтового) излучения и измерения абсолютной скорости движения галактик относительно этого излучения вопрос об относительности или абсолютности движения должен был бы решиться автоматически в пользу абсолютности движения. Понятно, что условия существования видимых галактик приблизительно одинаковы. Следовательно, их движение относительно реликтового излучения будет аналогично движению нашей галактики. Кроме того, существует и проблема горизонта – изотропность в наблюдаемом распределении галактик. В теории большого взрыва этот эффект отсутствует. Отсюда следует простой вывод, что галактики не разбегаются. Однако консерватизм мышления и представление картины мира релятивистским пространством-временем не дают вырваться из рамок ОТО.
Фактически, решая проблемы парадоксов ньютоновской физики, эйнштейновская физика породила новые парадоксы. Следовательно, две картины мира, предложенные Ньютоном и Эйнштейном, не позволяют описать многие экспериментальные факты, найденные в ХХ веке.

 
  > Нерешенные проблемы космологии к началу 21 века  (следующая глава) Наверх