8.2. Idėjų apie Visatą plėtra. Visatos modeliai
Istoriškai idėjos apie Visatą visada vystėsi mentalinių Visatos modelių rėmuose, pradedant senovės mitais. Beveik bet kurios tautos mitologijoje reikšmingą vietą užima mitai apie Visatą – jos kilmę, esmę, sandarą, santykius ir galimas pabaigos priežastis.
Daugumoje senovės mitų pasaulis (Visata) nėra amžinas, jį sukūrė aukštesnės jėgos iš kokio nors pamatinio principo (substancijos), dažniausiai iš vandens arba iš chaoso. Laikas senovės kosmogoninėse idėjose dažniausiai yra cikliškas, t.y. Visatos gimimo, egzistavimo ir mirties įvykiai seka vienas kitą ratu, kaip ir visi gamtos objektai. Visata yra vientisa visuma, visi jos elementai yra tarpusavyje susiję, šių ryšių gylis kinta iki galimų tarpusavio transformacijų, įvykiai seka vienas kitą, keisdami vienas kitą (žiema ir vasara, diena ir naktis). Ši pasaulio tvarka prieštarauja chaosui. Pasaulio erdvė yra ribota. Aukštesnės jėgos (kartais dievai) veikia arba kaip Visatos kūrėjai, arba kaip pasaulio tvarkos sergėtojai. Visatos struktūra mituose įgauna daugiasluoksniškumą: kartu su atskleistu (viduriniu) pasauliu yra viršutinis ir apatinis pasauliai, Visatos ašis (dažnai Pasaulio medžio ar kalno pavidalu), jos centras. pasaulis – vieta, apdovanota ypatingomis sakralinėmis savybėmis, egzistuoja ryšys tarp atskirų pasaulio sluoksnių. Pasaulio egzistavimas suvokiamas regresyviai – nuo „aukso amžiaus“ iki nuosmukio ir mirties. Žmogus senovės mituose gali būti viso Kosmoso (visas pasaulis sukurtas iš milžiniškos būtybės, panašios į milžiną) analogas, stiprinantis ryšį tarp žmogaus ir Visatos. Senoviniuose modeliuose žmogus niekada neužima dėmesio centre.
VI-V a. pr. Kr. Sukuriami pirmieji gamtos filosofiniai Visatos modeliai, labiausiai išplėtoti Senovės Graikijoje. Pagrindinė šių modelių koncepcija yra „Cosmos“ kaip vientisa visuma, graži ir laikantis įstatymų. Klausimą, kaip susiformavo pasaulis, papildo klausimas, iš ko pasaulis sudarytas ir kaip jis keičiasi. Atsakymai suformuluoti nebe perkeltine, o abstrakčia, filosofine kalba. Laikas modeliuose dažniausiai vis dar yra cikliškas, tačiau erdvė yra ribota. Medžiaga veikia kaip atskiri elementai (vanduo, oras, ugnis – Milezijos mokykloje ir Herakleite), elementų mišinys ir vienas, nedalomas, nejudantis Kosmosas (tarp eleatikų), ontologizuotas skaičius (tarp pitagoriečių), nedalomas. struktūriniai vienetai – atomai, užtikrinantys pasaulio vienybę – Demokrite. Tai Demokrito Visatos modelis, kuris erdvėje yra begalinis. Gamtosfilosofai nustatė kosminių objektų – žvaigždžių ir planetų statusą, jų skirtumus, vaidmenį ir santykinę padėtį Visatoje. Daugumoje modelių judėjimas vaidina svarbų vaidmenį. Kosmosas pastatytas pagal vieną dėsnį – Logosą, žmogui taip pat galioja tas pats dėsnis – mikrokosmosas, sumažinta Kosmoso kopija.
Pitagoriečių pažiūrų, kurios geometrizavo Kosmosą ir pirmą kartą aiškiai jį pristatė aplink centrinę ugnį besisukančios ir jos apsuptos sferos pavidalu, raida buvo įkūnyta vėlesniuose Platono dialoguose. Daugelį amžių Aristotelio modelis, matematiškai apdorotas Ptolemėjo, buvo laikomas logiška antikos požiūrių į Kosmosą viršūne. Šiek tiek supaprastinta forma šis modelis, palaikomas bažnyčios autoriteto, gyvavo apie 2 tūkst. Anot Aristotelio, Visata: o yra visa apimanti visuma, susidedanti iš visų suvokiamų kūnų visumos; o unikalus;
o erdviškai ribotas, apribotas kraštutinėmis dangaus sferomis,
už jo „nėra nei tuštumos, nei erdvės“; o amžinas, neprasideda ir nesibaigiantis laike. Tuo pačiu metu Žemė nejuda ir yra Visatos centre, žemiškoji ir dangiškoji (supralunarinė) yra visiškai priešingos savo fizine ir chemine sudėtimi bei judėjimo pobūdžiu.
XVIII-XIX a., Renesanso laikais, vėl išryškėjo gamtos filosofiniai Visatos modeliai. Jiems būdinga, viena vertus, grįžimas į senovės platumą ir filosofines pažiūras, kita vertus, iš viduramžių paveldėta griežta logika ir matematika. Teorinių tyrimų metu Nikolajus Kuzanskis, N. Kopernikas, G. Bruno siūlo Visatos modelius su begaline erdve, negrįžtamu tiesiniu laiku, heliocentrine Saulės sistema ir daugybe į ją panašių pasaulių. G. Galilėjus, tęsdamas šią tradiciją, tyrė judėjimo dėsnius – inercijos savybę ir pirmasis sąmoningai panaudojo mentalinius modelius (konstrukcijas, kurios vėliau tapo teorinės fizikos pagrindu), matematinę kalbą, kurią laikė universalia pasaulio kalba. Visata, derinys empiriniai metodai ir teorinė hipotezė, kurią patirtis turėtų patvirtinti arba paneigti, ir galiausiai – astronominiai stebėjimai naudojant teleskopą, kuris gerokai išplėtė mokslo galimybes.
G. Galileo, R. Descartesas, I. Kepleris padėjo pagrindus šiuolaikinėms fizinėms ir kosmogoninėms pasaulio idėjoms, tiek jų pagrindu, tiek remiantis Niutono atrastais mechanikos dėsniais m. pabaigos XVII V. Buvo suformuotas pirmasis mokslinis kosmologinis Visatos modelis, vadinamas klasikiniu Niutono modeliu. Pagal šį modelį Visata: O yra statinė (stacionari), t.y. vidutiniškai pastovus laikui bėgant; O yra vienalytis – visi jo taškai lygūs; O yra izotropinis – visos kryptys lygios; o yra amžina ir erdviškai begalinė, o erdvė ir laikas yra absoliutūs – nepriklauso vienas nuo kito ir nuo judančių masių; O medžiagos tankis skiriasi nuo nulio; O turi struktūrą, kuri yra visiškai suprantama esamos fizinių žinių sistemos kalba, o tai reiškia begalinį mechanikos dėsnių ekstrapoliavimą, visuotinės gravitacijos dėsnį, kurie yra pagrindiniai visų kosminių kūnų judėjimo dėsniai.
Be to, Visatoje taikomas tolimojo veikimo principas, t.y. momentinis signalo sklidimas; Visatos vienybę užtikrina viena struktūra – atominė materijos sandara.
Šio modelio empirinis pagrindas buvo visi duomenys, gauti iš astronominių stebėjimų, jiems apdoroti buvo naudojamas modernus matematinis aparatas. Ši konstrukcija buvo pagrįsta Naujųjų laikų racionalistinės filosofijos determinizmu ir materializmu. Nepaisant iškilusių prieštaravimų (fotometriniai ir gravitaciniai paradoksai – modelio ekstrapoliacijos iki begalybės pasekmės), ideologinis patrauklumas ir loginis nuoseklumas bei euristinis potencialas Niutono modelį pavertė vieninteliu priimtinu kosmologams iki XX a.
Būtinybę peržiūrėti požiūrį į Visatą paskatino daugybė XIX ir XX amžiuje padarytų atradimų: šviesos slėgio buvimas, atomo dalijamumas, masės defektas, atomo sandaros modelis, neplokštumas. Riemanno ir Lobačevskio geometrijos, tačiau tik atsiradus reliatyvumo teorijai nauja kvantinė reliatyvistinė teorija tapo galimu Visatos modeliu.
Iš specialiosios (STR, 1905) ir bendrosios (GR, 1916) A. Einšteino reliatyvumo teorijų lygčių išplaukia, kad erdvė ir laikas yra sujungti į vieną metriką ir priklauso nuo judančios medžiagos: greičiu, artimu greičiui. šviesos, erdvė yra suspausta, laikas ištemptas, o šalia kompaktiškų galingų masių erdvė-laikas yra išlenktas, todėl Visatos modelis yra geometrizuotas. Netgi buvo bandoma visą Visatą įsivaizduoti kaip lenktą erdvėlaikį, kurio mazgai ir defektai buvo interpretuojami kaip masės.
Einšteinas, spręsdamas Visatos lygtis, gavo modelį, kuris buvo ribotas erdvėje ir stacionarus. Tačiau norint išlaikyti stacionarumą, jam reikėjo į sprendimą įvesti papildomą lambda terminą, kuris empiriškai niekuo neparemtas ir savo veikimu buvo lygiavertis laukui, prieštaraujančiam gravitacijai kosmologiniais atstumais. Tačiau 1922–1924 m. A.A. Friedmanas pasiūlė kitokį šių lygčių sprendimą, iš kurio buvo galima gauti tris skirtingus Visatos modelius, priklausomai nuo materijos tankio, tačiau visi trys modeliai buvo nestacionarūs (evoliucionuojantys) – modelis su plėtimu ir suspaudimu, svyruojantis modelis ir modelis su begaliniu plėtimu. Tuo metu Visatos stacionarumo atmetimas buvo tikrai revoliucinis žingsnis, kurį mokslininkai priėmė labai sunkiai, nes atrodė, kad tai prieštarauja visoms nusistovėjusioms mokslinėms ir filosofinėms pažiūroms į gamtą, neišvengiamai vedančią į kreacionizmą.
Pirmasis eksperimentinis Visatos nestacionarumo patvirtinimas buvo gautas 1929 m. – Hablas atrado tolimų galaktikų spektrų raudonąjį poslinkį, kuris pagal Doplerio efektą rodė Visatos plėtimąsi (tuo metu ne visi kosmologai pritarė tokiai interpretacijai). laikas). 1932-1933 metais Belgų teoretikas J. Lemaigre pasiūlė Visatos modelį su „karštu pradžia“, vadinamuoju „Didžiuoju sprogimu“. Tačiau dar 1940–1950 m. buvo pasiūlyti alternatyvūs modeliai(gimstant dalelėms iš c lauko, iš vakuumo), išsaugant Visatos stacionarumą.
1964 m. amerikiečių mokslininkai – astrofizikas A. Penzias ir radijo astronomas K. Wilsonas atrado vienalytę izotropinę reliktinę spinduliuotę, aiškiai rodančią „karštą Visatos pradžią“. Šis modelis tapo dominuojančiu ir buvo priimtas daugelio kosmologų. Tačiau pats „pradžios“ taškas, išskirtinumo taškas, sukėlė daug problemų ir ginčų tiek dėl „Didžiojo sprogimo“ mechanizmo, tiek dėl to, kad šalia jo esančios sistemos (Visatos) elgsenos nebuvo galima apibūdinti. žinomų mokslinių teorijų rėmas (be galo aukšta temperatūra ir tankis turėjo būti derinami su be galo mažais dydžiais). XX amžiuje Buvo pateikta daug Visatos modelių - nuo tų, kurie atmetė reliatyvumo teoriją kaip pagrindą, iki tų, kurie pakeitė kai kuriuos pagrindinio modelio veiksnius, pavyzdžiui, „Visatos ląstelių struktūrą“ ar stygų teoriją. Taigi, norint pašalinti su singuliarumu susijusius prieštaravimus, 1980–1982 m. Amerikiečių astronomas P. Steinhartas ir sovietų astrofizikas A. Linde pasiūlė besiplečiančios Visatos modelio modifikaciją – modelį su infliacijos faze („pripučiamos Visatos“ modelis), kuriame pirmosiomis akimirkomis po „Didžiojo sprogimo“ įvyko nauja interpretacija. Šis modelis vėliau buvo tobulinamas ir pašalino daugybę reikšmingų kosmologijos problemų ir prieštaravimų. Tyrimai nesibaigia ir šiandien: grupės Japonijos mokslininkų iškelta hipotezė apie pirminių magnetinių laukų kilmę puikiai sutampa su aukščiau aprašytu modeliu ir leidžia tikėtis gauti naujų žinių apie ankstyvuosius magnetinio lauko egzistavimo etapus. Visata.
Kaip tyrimo objektas, Visata yra pernelyg sudėtinga, kad ją būtų galima tirti dedukciniu būdu; ekstrapoliacijos ir modeliavimo metodai suteikia galimybę judėti į priekį savo žiniomis. Tačiau šie metodai reikalauja griežtai laikytis visų procedūrų (nuo problemos formulavimo, parametrų parinkimo, modelio ir originalo panašumo laipsnio iki gautų rezultatų interpretavimo), ir net jei visi reikalavimai yra idealiai įvykdyti, tyrimo rezultatai bus būti iš esmės tikimybinio pobūdžio.
Žinių matematizavimas, kuris žymiai padidina daugelio metodų euristines galimybes bendra tendencija XX amžiaus mokslas Kosmologija nebuvo išimtis: atsirado mentalinio modeliavimo rūšis – matematinis modeliavimas, matematinės hipotezės metodas. Jo esmė ta, kad pirmiausia išsprendžiamos lygtys, o po to ieškoma gautų sprendinių fizikinės interpretacijos. Ši praeities mokslui nebūdinga procedūra turi didžiulį euristinį potencialą. Būtent šis metodas paskatino Friedmaną sukurti besiplečiančios Visatos modelį; tokiu būdu XX amžiaus pabaigoje buvo atrastas pozitronas ir daug daugiau svarbių atradimų moksle.
Kompiuterių modeliai, taip pat ir modeliuojant Visatą, gimė tobulėjant kompiuterinėms technologijoms. Jų pagrindu buvo patobulinti Visatos modeliai su infliacijos faze; V XXI pradžios V. buvo apdoroti dideli kiekiai iš kosminio zondo gautos informacijos, sukurtas Visatos raidos modelis, atsižvelgiant į „tamsiąją materiją“ ir „tamsiąją energiją“.
Laikui bėgant pasikeitė daugelio pagrindinių sąvokų aiškinimas.
Fizinis vakuumas nebėra suprantamas kaip tuštuma, ne kaip eteris, o kaip sudėtinga būsena, turinti potencialų (virtualų) medžiagos ir energijos turinį. Išsiaiškinta, kad žinoma šiuolaikinis mokslas kosminiai kūnai ir laukai sudaro nedidelę Visatos masės dalį ir dauguma masę sudaro „tamsioji medžiaga“ ir „tamsioji energija“, kurios netiesiogiai atsiskleidžia. Pastarųjų metų tyrimai parodė, kad didelė šios energijos dalis veikia Visatos plėtimąsi, tempimą ir plyšimą, o tai gali sukelti pastebimą plėtimosi pagreitį. Šiuo atžvilgiu reikia peržiūrėti galimos Visatos ateities scenarijų.Laiko kategorija yra viena iš labiausiai kosmologijoje aptarinėjamų kategorijų. Dauguma tyrinėtojų laikui priskiria objektyvų charakterį, tačiau pagal tradiciją, atėjusią iš Augustino ir I. Kanto, laikas ir erdvė yra mūsų kontempliacijos formos, t.y. jie interpretuojami subjektyviai. Laikas laikomas arba parametru, nepriklausančiu nuo jokių veiksnių (esminė sąvoka, kilusi iš Demokrito ir kuri yra klasikinio Niutono Visatos modelio pagrindas), arba kaip parametras, susijęs su materijos judėjimu (santykinė samprata, kilusi iš Aristotelio ir tampanti pagrindu. kvantinio reliatyvistinio Visatos modelio). Labiausiai paplitusi yra dinaminė sąvoka, vaizduojanti laiką kaip judantį (kalbama apie laiko tėkmę), tačiau buvo iškelta ir priešinga samprata – statiška. Laikas įvairiuose modeliuose atrodo arba cikliškas, arba baigtinis, arba begalinis ir tiesinis. Laiko esmė dažniausiai siejama su priežastingumu. Aptariamos tokios problemos kaip esamojo laiko momento identifikavimo pagrindimas, jo kryptis, anizotropija, negrįžtamumas, laiko universalumas, t.y. Ar laikas egzistuoja visose Visatos būsenose ir ar jis visada yra vienmatis, ar gali turėti skirtingą dimensiją ir net neegzistuoti tam tikromis sąlygomis(pavyzdžiui, singuliarumo taške). Mažiausiai išplėtotas klausimas yra apie laiko ypatumus sudėtingose sistemose: biologinėse, psichinėse, socialinėse.
Kuriant Visatos modelius, kai kurios konstantos vaidina svarbų vaidmenį - gravitacinė konstanta, Plancko konstanta, šviesos greitis, vidutinis medžiagos tankis, erdvėlaikio matmenų skaičius. Tyrinėdami šias konstantas, kai kurie kosmologai priėjo prie išvados, kad su kitomis šių konstantų reikšmėmis Visatoje neegzistuotų sudėtingos materijos formos, jau nekalbant apie gyvybę ir ypač intelektą.
BIBLIOGRAFINIS SĄRAŠAS
Evsiukovas V.V. Mitai apie Visatą. Novosibirskas, 1988 m.
Latypovas N.N., Beilinas V.A., Vereshkovas G.M. Vakuumas, elementariosios dalelės ir Visata. M., 2001 m.
Linde A.D. Fizika elementariosios dalelės ir infliacinė kosmologija. M., 1990 m.
Nadtochajevas A.S. Filosofija ir mokslas antikoje. M., 1990 m.
Novikovas I.D. Visatos evoliucija. M., 1990 m.
Pavlenko A.N. Europos kosmologija: epistemologinio posūkio pagrindai. M., 1997 m.
Hawkingas S. Nuo didžiojo sprogimo iki juodųjų skylių. M., 1990 m.
Įvadas
Ilgą laiką žmogaus mintis bandė išspręsti mūsų pasaulio atsiradimo, visatos atsiradimo ir tolesnio likimo problemą. Šis klausimas yra vienas iš amžini klausimai, ir tikriausiai niekada nenustos jaudinti žmonių protų. Skirtingu metu buvo pasiūlyta įvairių sprendimų nurodytą problemą. Pagal vieną iš jų pasaulis buvo sukurtas ir kažkada pradėjo egzistuoti; kitų nuomone, pasaulis yra amžinas ir neturi pradžios. Taip pat žinomi požiūriai, pagal kuriuos Visata periodiškai atsiranda ir sunaikinama.
Visatos kilmė ir evoliucija
Visata atsirado maždaug prieš 20 milijardų metų iš tankios ir karštos pirminės medžiagos. Šiandien galime tik spėlioti, kokia buvo ši protėvių Visatos substancija, kaip ji formavosi, kokiems dėsniams pakluso ir kokie procesai lėmė plėtimąsi. Yra požiūris, kad nuo pat pradžių protomedžiaga pradėjo plėstis milžinišku greičiu. Pradiniame etape ši tanki medžiaga išsibarstė, išsibarstė į visas puses ir buvo vienalytis nestabilių dalelių mišinys, kuris susidūrimų metu nuolat suyra. Vėsdama ir sąveikaudama per milijonus metų, visa ši erdvėje išsibarsčiusi materijos masė susitelkė į didelius ir mažus dujų darinius, kurie per šimtus milijonų metų artėdami ir susijungdami virto didžiuliais kompleksais. Jose savo ruožtu atsirado tankesnės sritys - vėliau ten susiformavo žvaigždės ir net ištisos galaktikos. Dėl gravitacinio nestabilumo skirtingose susiformavusių galaktikų zonose gali susidaryti tankūs „protosteliniai dariniai“, kurių masė yra artima Saulės masei. Prasidėjęs suspaudimo procesas paspartės veikiamas savo gravitacinio lauko. Šis procesas lydi laisvas kritimas debesies dalelės iki jo centro – atsiranda gravitacinis suspaudimas. Debesies centre susidaro tankinimas, susidedantis iš molekulinio vandenilio ir helio. Padidėjęs tankis ir temperatūra centre veda prie molekulių suirimo į atomus, atomų jonizacijos ir tankios protožvaigždės šerdies susidarymo. Yra hipotezė apie ciklinę Visatos būseną. Kažkada atsiradęs iš itin tankaus medžiagos krešulio. Galbūt jau per pirmąjį ciklą Visata savyje jau sukūrė milijardus žvaigždžių sistemų ir planetų. Bet tada Visata neišvengiamai ima linkti į būseną, nuo kurios prasidėjo ciklo istorija, raudonasis poslinkis užleidžia vietą violetinei spalvai, Visatos spindulys palaipsniui mažėja, o galiausiai Visatos materija grįžta į savo. pradinė itin tanki būsena, negailestingai naikinanti visą gyvybę kelyje. Ir tai kartojasi kiekvieną kartą, kiekviename cikle amžinybei! Iki 1930-ųjų pradžios buvo manoma, kad pagrindiniai Visatos komponentai buvo galaktikos, kurių kiekvieną vidutiniškai sudarė 100 milijardų žvaigždžių. Saulė kartu su planetų sistema yra mūsų galaktikos dalis, kurios didžiąją dalį žvaigždžių stebime Paukščių Tako pavidalu. Išskyrus žvaigždes ir planetas. Galaxy yra reikšminga suma retintos dujos ir kosminės dulkės. Ar Visata yra baigtinė ar begalinė, kokia jos geometrija – šie ir daugelis kitų klausimų yra susiję su Visatos evoliucija, ypač su stebimu plėtimu. Jei, kaip šiuo metu manoma, galaktikų „plėtimo“ greitis padidės 75 km/s kiekvienam milijonui parsekų, tada ekstrapoliacija į praeitį duoda nuostabų rezultatą: maždaug prieš 10–20 milijardų metų visa Visata buvo sutelkta. labai mažame plote. Daugelis mokslininkų mano, kad tuo metu Visatos tankis buvo toks pat kaip ir atomo branduolio. Paprasčiau tariant, Visata tada buvo viena milžiniška „branduolinė dėmė“. Dėl tam tikrų priežasčių šis „lašas“ tapo nestabilus ir sprogo. Dabar stebime šio sprogimo pasekmes kaip galaktikų sistemos. Rimčiausią smūgį Visatos neliečiamybei padarė garsaus amerikiečių mokslininko E. Hablo gauti galaktikų šalinimo greičių matavimų rezultatai. Jis nustatė, kad bet kuri galaktika tolsta nuo mūsų vidutiniškai greičiu, proporcingu atstumui iki jos. Šis atradimas galutinai sunaikino nuo Aristotelio laikų egzistavusią statiškos, nepajudinamos Visatos idėją, kuri, tačiau jau buvo supurtyta dėl žvaigždžių evoliucijos atradimo. Tai reiškia, kad galaktikos visai nėra kosminiai žibintai, pakabinti vienodais atstumais viena nuo kitos, be to, kadangi jos tolsta, tai kada nors praeityje jos turėjo būti arčiau mūsų. Maždaug prieš 20 milijardų metų visos galaktikos, matyt, buvo sutelktos viename taške, nuo kurio prasidėjo greitas Visatos plėtimasis iki dabartinio dydžio. Bet kur yra šis taškas? Atsakymas: niekur ir tuo pačiu metu visur; neįmanoma nurodyti jo buvimo vietos, tai prieštarautų pagrindiniam kosmologijos principui. Kitas palyginimas gali padėti suprasti šį teiginį. Pagal bendroji teorija reliatyvumo teorija, materijos buvimas erdvėje lemia jos kreivumą. Jei yra pakankamai medžiagos, galima sukonstruoti kreivosios erdvės modelį. Judėdami palei žemę viena kryptimi, nuvažiavę 40 000 km, galiausiai turime grįžti į pradinį tašką. Kreivoje Visatoje tas pats atsitiks, bet po 40 milijardų šviesmečių; be to, „vėjo rožė“ neapsiriboja keturiomis pasaulio dalimis, bet taip pat apima kryptis aukštyn ir žemyn. Taigi, Visata primena pripučiamą rutulį, ant kurio piešiamos galaktikos ir, kaip ir ant žemės rutulio, taškų padėčiai nustatyti yra pažymėtos paralelės ir dienovidiniai; bet Visatos atveju galaktikų padėčiai nustatyti reikia naudoti ne dvi, o tris dimensijas. Visatos plėtimasis primena šio baliono pripūtimo procesą: santykinė įvairių objektų padėtis ant jo paviršiaus nesikeičia, ant baliono nėra paskirtų taškų. Norėdami įvertinti bendrą materijos kiekį Visatoje, tiesiog turime suskaičiuoti visas mus supančias galaktikas. Taip elgdamiesi mes gausime mažiau medžiagos, nei reikia, kad, pasak Einšteino, būtų uždaryta. balionas» Visata. Yra atviros Visatos modeliai, kurių matematinis aiškinimas yra toks pat paprastas ir paaiškina materijos trūkumą. Kita vertus, gali pasirodyti, kad Visatoje yra ne tik materijos galaktikų pavidalu, bet ir nematomos medžiagos tiek, kiek reikia, kad Visata užsidarytų; Ginčai šiuo klausimu vis dar nerimsta.
Kūrybinis fizinio vakuumo vaidmuo
Tardami žodį „vakuumas“, dažniausiai įsivaizduojame itin retą aplinką, kuri arba tiriama specialiose laboratorijose, arba stebima kosmose. Tačiau vakuumas – tai ne tuštuma, o visai kas kita: ypatinga, kasdieniame gyvenime nepastebima materijos būsena, vadinama fiziniu vakuumu.
Žinoma, tuščiame tūryje įprastų (tikrųjų) dalelių nėra, tačiau kvantinė teorija numato daugelio kitų dalelių, vadinamų virtualiosiomis, egzistavimą. Tokios dalelės tam tikromis sąlygomis gali virsti tikromis.
Dalelių, kurių masė aš, gyvavimo laikas yra apie
Su. Ši vertė yra labai maža ir jie kalba ne tiek apie „gyvybę“, kiek apie trumpalaikį labai keistų dalelių ir su jomis susijusių laukų gyvybės pliūpsnį.Taigi, nepastebimų dalelių jūra, tam tikromis sąlygomis pasiruošusi pavirsti įprastomis dalelėmis.
Galima apibūdinti fizinio vakuumo būseną mažiausia vertė kvantinių laukų, tokių kaip skaliarinis laukas, energija, kuri turi egzistuoti vakuume. Šis laukas siejamas su hipotetine Higgso dalele (pavadinta ją pasiūliusio mokslininko Higgso vardu), kuri yra itin sunkaus bozono, kurio masė galbūt yra, pavyzdys.
kartų didesnė už protono masę. Tokios dalelės gali gimti K temperatūroje. Yra didžiulių greitintuvų projektai, kur, stebėdami dalelių sąveiką, mokslininkai tikisi patvirtinti Higso egzistavimo realumą.Amerikiečių inžinieriai ir fizikai vieną iš projektų planuoja įgyvendinti amžiaus pabaigoje. Tai bus labai galingas susidūrimo pluošto greitintuvas, o superlaidūs magnetai bus naudojami energijos sąnaudoms sumažinti žiedinėje instaliacijoje, kurios perimetras yra 84 km. Būsimasis greitintuvas vadinamas SSC superlaidžiu superkolideriu.
Viena iš nuostabių fizinio vakuumo savybių yra ta, kad jis sukuria neigiamą slėgį ir todėl gali būti gamtoje atstumiančių jėgų šaltinis. Ši nuosavybė žaidžia išskirtinai svarbus vaidmuo„išpučiamos visatos“ scenarijuje.
Stacionarios Visatos paradoksai
1744 metais šveicarų astronomas Jeanas Philippe'as de Chézeau atrado fotometrinį paradoksą, susijusį su tariama visatos begalybe. Jo esmė tokia: jei begalinėje visatoje yra begalė žvaigždžių, tai bet kuria kryptimi žemiškojo stebėtojo žvilgsnis tikrai susidurtų su kokia nors žvaigžde, o tada dangaus ryškumas būtų panašus į saulės šviesumą, o tai nėra faktiškai pastebėta. 1826 metais vokiečių astronomas Heinrichas Olbersas savarankiškai padarė tokias pačias išvadas. Nuo tada fotometrinis paradoksas buvo vadinamas Čezo-Olberso paradoksu. Mokslininkai įvairiais būdais bandė pašalinti šį paradoksą, o tai rodo netolygų žvaigždžių pasiskirstymą arba šviesos sugertį tarpžvaigždiniuose dujų ir dulkių debesyse, kaip tai bandė padaryti Chezo ir Olbers. Tačiau, kaip vėliau buvo parodyta, dujų ir dulkių debesys turėjo įkaisti ir patys iš naujo skleisti sugertus spindulius, ir šis faktas neleido išvengti fotometrinio paradokso.
1895 metais vokiečių astronomas Hugo Seeligeris atrado gravitacinį paradoksą, taip pat susijusį su tariama visatos begalybe. Jo esmė tokia: jei begalinėje visatoje yra begalė tolygiai paskirstytų žvaigždžių (masės), tai jų gravitacinė jėga, veikianti bet kurį kūną, tampa arba be galo didelė, arba neapibrėžta (priklausomai nuo skaičiavimo būdo), o tai nepastebima. Ir šiuo atveju buvo bandoma išvengti gravitacinio paradokso, darant prielaidą, kad gravitacijos dėsnyje yra kitokia gravitacijos jėgos formulė arba manant, kad masės tankis visatoje yra artimas nuliui. Tačiau tikslūs Saulės sistemos planetų judėjimo stebėjimai paneigė šias prielaidas. Paradoksas liko galioti.
Istoriškai idėjos apie Visatą visada vystėsi mentalinių Visatos modelių rėmuose, pradedant senovės mitais. Beveik bet kurios tautos mitologijoje reikšmingą vietą užima mitai apie Visatą – jos kilmę, esmę, sandarą, santykius ir galimas pabaigos priežastis. Daugumoje senovės mitų pasaulis (Visata) nėra amžinas, jį sukūrė aukštesnės jėgos iš kokio nors pamatinio principo (substancijos), dažniausiai iš vandens arba iš chaoso. Laikas senovės kosmogoninėse idėjose dažniausiai yra cikliškas, t.y. Visatos gimimo, egzistavimo ir mirties įvykiai seka vienas kitą ratu, kaip ir visi gamtos objektai. Visata yra vientisa visuma, visi jos elementai yra tarpusavyje susiję, šių ryšių gylis kinta iki galimų tarpusavio transformacijų, įvykiai seka vienas kitą, keisdami vienas kitą (žiema ir vasara, diena ir naktis). Ši pasaulio tvarka prieštarauja chaosui. Pasaulio erdvė yra ribota. Aukštesnės jėgos (kartais dievai) veikia arba kaip Visatos kūrėjai, arba kaip pasaulio tvarkos sergėtojai. Visatos struktūra mituose įgauna daugiasluoksniškumą: kartu su atskleistu (viduriniu) pasauliu yra viršutinis ir apatinis pasauliai, Visatos ašis (dažnai Pasaulio medžio ar kalno pavidalu), jos centras. pasaulis – vieta, apdovanota ypatingomis sakralinėmis savybėmis, egzistuoja ryšys tarp atskirų pasaulio sluoksnių. Pasaulio egzistavimas suvokiamas regresyviai – nuo „aukso amžiaus“ iki nuosmukio ir mirties. Žmogus senovės mituose gali būti viso Kosmoso (visas pasaulis sukurtas iš milžiniškos būtybės, panašios į milžiną) analogas, stiprinantis ryšį tarp žmogaus ir Visatos. Senoviniuose modeliuose žmogus niekada neužima dėmesio centre. VI-V a. pr. Kr. Sukuriami pirmieji gamtos filosofiniai Visatos modeliai, labiausiai išplėtoti Senovės Graikijoje. Pagrindinė šių modelių koncepcija yra „Cosmos“ kaip vientisa visuma, graži ir laikantis įstatymų. Klausimą, kaip susiformavo pasaulis, papildo klausimas, iš ko pasaulis sudarytas ir kaip jis keičiasi. Atsakymai suformuluoti nebe perkeltine, o abstrakčia, filosofine kalba. Laikas modeliuose dažniausiai vis dar yra cikliškas, tačiau erdvė yra ribota. Medžiaga veikia kaip atskiri elementai (vanduo, oras, ugnis – Milezijos mokykloje ir Herakleite), elementų mišinys ir vienas, nedalomas, nejudantis Kosmosas (tarp eleatikų), ontologizuotas skaičius (tarp pitagoriečių), nedalomas. struktūriniai vienetai – atomai, užtikrinantys pasaulio vienybę – Demokrite. Tai Demokrito Visatos modelis, kuris erdvėje yra begalinis. Gamtosfilosofai nustatė kosminių objektų – žvaigždžių ir planetų statusą, jų skirtumus, vaidmenį ir santykinę padėtį Visatoje. Daugumoje modelių judėjimas vaidina svarbų vaidmenį. Kosmosas pastatytas pagal vieną dėsnį – Logosą, žmogui taip pat galioja tas pats dėsnis – mikrokosmosas, sumažinta Kosmoso kopija. Pitagoriečių pažiūrų, kurios geometrizavo Kosmosą ir pirmą kartą aiškiai jį pristatė aplink centrinę ugnį besisukančios ir jos apsuptos sferos pavidalu, raida buvo įkūnyta vėlesniuose Platono dialoguose. Daugelį amžių Aristotelio modelis, matematiškai apdorotas Ptolemėjo, buvo laikomas logiška antikos požiūrių į Kosmosą viršūne. Šiek tiek supaprastinta forma šis modelis, palaikomas bažnyčios autoriteto, gyvavo apie 2 tūkst. Anot Aristotelio, Visata: o yra visa apimanti visuma, susidedanti iš visų suvokiamų kūnų visumos; o unikalus; o yra erdviškai baigtinis, apsiriboja kraštutine dangaus sfera, už jos „nėra nei tuštumos, nei erdvės“; o amžinas, neprasideda ir nesibaigiantis laike. Tuo pačiu metu Žemė nejuda ir yra Visatos centre, žemiškoji ir dangiškoji (supralunarinė) yra visiškai priešingos savo fizine ir chemine sudėtimi bei judėjimo pobūdžiu. XV–XVI a., Renesanso laikais, vėl išryškėjo gamtos filosofiniai Visatos modeliai. Jiems būdinga, viena vertus, grįžimas į senovės platumą ir filosofines pažiūras, kita vertus, iš viduramžių paveldėta griežta logika ir matematika. Teorinių tyrimų metu Nikolajus Kuzanskis, N. Kopernikas, G. Bruno siūlo Visatos modelius su begaline erdve, negrįžtamu tiesiniu laiku, heliocentrine Saulės sistema ir daugybe į ją panašių pasaulių. G. Galilėjus, tęsdamas šią tradiciją, tyrinėjo judėjimo dėsnius – inercijos savybę ir pirmasis sąmoningai panaudojo mentalinius modelius (konstrukcijas, kurios vėliau tapo teorinės fizikos pagrindu), matematinę kalbą, kurią laikė universalia kalba. Visata, empirinių metodų ir teorinės hipotezės, kad patirtis turėtų patvirtinti arba paneigti, derinys ir galiausiai astronominiai stebėjimai naudojant teleskopą, kuris gerokai išplėtė mokslo galimybes. G. Galilėjus, R. Dekartas, I. Kepleris padėjo pagrindus šiuolaikinėms fizinėms ir kosmogoninėms pasaulio idėjoms, tiek jų pagrindu, tiek remdamiesi XVII amžiaus pabaigoje Niutono atrastais mechanikos dėsniais. Buvo suformuotas pirmasis mokslinis kosmologinis Visatos modelis, vadinamas klasikiniu Niutono modeliu. Pagal šį modelį Visata: O yra statinė (stacionari), t.y. vidutiniškai pastovus laikui bėgant; O yra vienalytis – visi jo taškai lygūs; O yra izotropinis – visos kryptys lygios; o yra amžina ir erdviškai begalinė, o erdvė ir laikas yra absoliutūs – nepriklauso vienas nuo kito ir nuo judančių masių; O medžiagos tankis skiriasi nuo nulio; O turi struktūrą, kuri yra visiškai suprantama esamos fizinių žinių sistemos kalba, o tai reiškia begalinį mechanikos dėsnių ekstrapoliavimą, visuotinės gravitacijos dėsnį, kurie yra pagrindiniai visų kosminių kūnų judėjimo dėsniai. Be to, Visatoje taikomas tolimojo veikimo principas, t.y. momentinis signalo sklidimas; Visatos vienybę užtikrina viena struktūra – atominė materijos sandara. Šio modelio empirinis pagrindas buvo visi duomenys, gauti iš astronominių stebėjimų, jiems apdoroti buvo naudojamas modernus matematinis aparatas. Ši konstrukcija buvo pagrįsta Naujųjų laikų racionalistinės filosofijos determinizmu ir materializmu. Nepaisant iškilusių prieštaravimų (fotometriniai ir gravitaciniai paradoksai – modelio ekstrapoliacijos iki begalybės pasekmės), ideologinis patrauklumas ir loginis nuoseklumas bei euristinis potencialas Niutono modelį pavertė vieninteliu priimtinu kosmologams iki XX a. Būtinybę peržiūrėti požiūrį į Visatą paskatino daugybė XIX ir XX amžiuje padarytų atradimų: šviesos slėgio buvimas, atomo dalijamumas, masės defektas, atomo sandaros modelis, neplokštumas. Riemanno ir Lobačevskio geometrijos, tačiau tik atsiradus reliatyvumo teorijai nauja kvantinė reliatyvistinė teorija tapo galimu Visatos modeliu. Iš specialiosios (STR, 1905) ir bendrosios (GR, 1916) A. Einšteino reliatyvumo teorijų lygčių išplaukia, kad erdvė ir laikas yra sujungti į vieną metriką ir priklauso nuo judančios medžiagos: greičiu, artimu greičiui. šviesos, erdvė yra suspausta, laikas ištemptas, o šalia kompaktiškų galingų masių erdvė-laikas yra išlenktas, todėl Visatos modelis yra geometrizuotas. Netgi buvo bandoma visą Visatą įsivaizduoti kaip lenktą erdvėlaikį, kurio mazgai ir defektai buvo interpretuojami kaip masės. Einšteinas, spręsdamas Visatos lygtis, gavo modelį, kuris buvo ribotas erdvėje ir stacionarus. Tačiau norint išlaikyti stacionarumą, jam reikėjo į sprendimą įvesti papildomą lambda terminą, kuris empiriškai niekuo neparemtas ir savo veikimu buvo lygiavertis laukui, prieštaraujančiam gravitacijai kosmologiniais atstumais. Tačiau 1922–1924 m. A.A. Friedmanas pasiūlė kitokį šių lygčių sprendimą, iš kurio buvo galima gauti tris skirtingus Visatos modelius, priklausomai nuo materijos tankio, tačiau visi trys modeliai buvo nestacionarūs (evoliucionuojantys) – modelis su plėtimu ir suspaudimu, svyruojantis modelis ir modelis su begaliniu plėtimu. Tuo metu Visatos stacionarumo atmetimas buvo tikrai revoliucinis žingsnis, kurį mokslininkai priėmė labai sunkiai, nes atrodė, kad tai prieštarauja visoms nusistovėjusioms mokslinėms ir filosofinėms pažiūroms į gamtą, neišvengiamai vedančią į kreacionizmą. Pirmasis eksperimentinis Visatos nestacionarumo patvirtinimas buvo gautas 1929 m. – Hablas atrado tolimų galaktikų spektrų raudonąjį poslinkį, kuris pagal Doplerio efektą rodė Visatos plėtimąsi (ne visi kosmologai pritarė tokiai interpretacijai tą kartą). 1932-1933 metais Belgų teoretikas J. Lemaitre'as pasiūlė Visatos modelį su „karštu pradžia“, vadinamuoju „Didžiuoju sprogimu“. Tačiau dar 1940–1950 m. Buvo pasiūlyti alternatyvūs modeliai (dalelėms gimus iš c lauko, iš vakuumo), išsaugant stacionarią Visatos prigimtį. 1964 metais amerikiečių mokslininkai – astrofizikas A. Penzias ir radijo astronomas K. Wilsonas atrado vienalytę izotropinę medžiagą. kosminė mikrobangų foninė spinduliuotė , aiškiai nurodantis „karštą Visatos pradžią“. Šis modelis tapo dominuojančiu ir buvo priimtas daugelio kosmologų. Tačiau pats „pradžios“ taškas, išskirtinumo taškas, sukėlė daug problemų ir ginčų tiek dėl „Didžiojo sprogimo“ mechanizmo, tiek dėl to, kad šalia jo esančios sistemos (Visatos) elgsenos nebuvo galima apibūdinti. žinomų mokslinių teorijų rėmas (be galo aukšta temperatūra ir tankis turėjo būti derinami su be galo mažais dydžiais). XX amžiuje Buvo pateikta daug Visatos modelių - nuo tų, kurie atmetė reliatyvumo teoriją kaip pagrindą, iki tų, kurie pakeitė kai kuriuos pagrindinio modelio veiksnius, pavyzdžiui, „Visatos ląstelių struktūrą“ ar stygų teoriją. Taigi, norint pašalinti su singuliarumu susijusius prieštaravimus, 1980–1982 m. Amerikiečių astronomas P. Steinhartas ir sovietų astrofizikas A. Linde pasiūlė besiplečiančios Visatos modelio modifikaciją – modelį su infliacijos faze („pripučiamos Visatos“ modelis), kuriame pirmosiomis akimirkomis po „Didžiojo sprogimo“ įvyko nauja interpretacija. Šis modelis vėliau buvo tobulinamas ir pašalino daugybę reikšmingų kosmologijos problemų ir prieštaravimų. Tyrimai nesibaigia ir šiandien: grupės Japonijos mokslininkų iškelta hipotezė apie pirminių magnetinių laukų kilmę puikiai sutampa su aukščiau aprašytu modeliu ir leidžia tikėtis gauti naujų žinių apie ankstyvuosius magnetinio lauko egzistavimo etapus. Visata. Kaip tyrimo objektas, Visata yra pernelyg sudėtinga, kad ją būtų galima tirti dedukciniu būdu; ekstrapoliacijos ir modeliavimo metodai suteikia galimybę judėti į priekį savo žiniomis. Tačiau šie metodai reikalauja griežtai laikytis visų procedūrų (nuo problemos formulavimo, parametrų parinkimo, modelio ir originalo panašumo laipsnio iki gautų rezultatų interpretavimo), ir net jei visi reikalavimai yra idealiai įvykdyti, tyrimo rezultatai bus būti iš esmės tikimybinio pobūdžio. Žinių matematizavimas, kuris žymiai padidina daugelio metodų euristines galimybes, yra bendra XX amžiaus mokslo tendencija. Kosmologija nebuvo išimtis: atsirado mentalinio modeliavimo rūšis – matematinis modeliavimas, matematinės hipotezės metodas. Jo esmė ta, kad pirmiausia išsprendžiamos lygtys, o po to ieškoma gautų sprendinių fizikinės interpretacijos. Ši praeities mokslui nebūdinga procedūra turi didžiulį euristinį potencialą. Būtent šis metodas paskatino Friedmaną sukurti besiplečiančios Visatos modelį; tokiu būdu XX amžiaus pabaigoje buvo atrastas pozitronas ir daug daugiau svarbių atradimų moksle. Kompiuteriniai modeliai, įskaitant tuos, kurie naudojami modeliuojant Visatą, yra gimę tobulėjant kompiuterinėms technologijoms. Jų pagrindu buvo patobulinti Visatos modeliai su infliacijos faze; XXI amžiaus pradžioje. buvo apdoroti dideli kiekiai iš kosminio zondo gautos informacijos, sukurtas Visatos raidos modelis, atsižvelgiant į „tamsiąją materiją“ ir „tamsiąją energiją“. Laikui bėgant pasikeitė daugelio pagrindinių sąvokų aiškinimas. Fizinis vakuumas nebėra suprantamas kaip tuštuma, ne kaip eteris, o kaip sudėtinga būsena, turinti potencialų (virtualų) medžiagos ir energijos turinį. Tuo pačiu metu buvo nustatyta, kad šiuolaikiniam mokslui žinomi kosminiai kūnai ir laukai sudaro nedidelę Visatos masės dalį, o didžioji masės dalis yra „tamsiojoje materijoje“ ir „tamsiojoje energijoje“, kurios netiesiogiai atskleidžia. patys. Pastarųjų metų tyrimai parodė, kad didelė šios energijos dalis veikia Visatos plėtimąsi, tempimą, plyšimą, o tai gali lemti fiksuotą plėtimosi pagreitį.
