Космологические парадоксы
Первая брешь в этой спокойной классической космологии была пробита еще в XVIII в. В 1744 г. астроном Р. Шезо, известный открытием необычной «пятихвостой» кометы, высказал сомнение в пространственной бесконечности Вселенной. В ту пору о существовании звездных систем и не подозревали, поэтому рассуждения Шезо касались только звезд.
Если предположить, утверждал Шезо, что в бесконечной Вселенной существует бесчисленное множество звезд и они распределены в пространстве равномерно, то тогда по любому направлению взгляд земного наблюдателя непременно натыкался бы на какую-нибудь звезду. Легко подсчитать, что небосвод, сплошь усеянный звездами, имел бы такую поверхностную яркость, что даже Солнце на его фоне казалось бы черным пятном. Независимо от Шезо в 1823 г. к таким же выводам пришел известный немецкий астроном Ф. Ольберс. Это парадоксальное утверждение получило в астрономии наименование фотометрического парадокса Шезо-Ольберса. Таков был первый космологический парадокс, поставивший под сомнение бесконечность Вселенной.
Устранить этот парадокс ученые пытались различными путями. Можно было допустить, например, что звезды распределены в пространстве неравномерно. Но тогда в некоторых направлениях на звездном небе было бы видно мало звезд, а в других, если звезд бесчисленное множество, их совокупная яркость создавала бы бесконечно яркие пятна, чего, как известно, нет.
Когда открыли, что межзвездное пространство не пусто, а заполнено разреженными газово-пылевыми облаками, некоторые ученые стали считать, что такие облака, поглощая свет звезд, делают из невидимыми для нас. Однако в 1938 г. академик В. Г. Фесенков доказал, что, поглотив свет звезд, газово-пылевые туманности вновь переизлучают поглощенную ими энергию, а это не избавляет нас от. фотометрического парадокса.
В конце XIX в. немецкий астроном К. Зеелигер обратил внимание и на другой парадокс, неизбежно вытекающий из представлений о бесконечности Вселенной. Он получил название гравитационного парадокса. Нетрудно подсчитать, что в бесконечной Вселенной с равномерно распределенными в ней телами сила тяготения со стороны всех тел Вселенной на данное тело оказывается бесконечно большой или неопределенной. Результат зависит от способа вычисления, причем относительные скорости небесных тел могли быть бесконечно большими. Так как ничего похожего в космосе не наблюдается, Зеелигер сделал вывод, что количество небесных тел ограничено, а значит, Вселенная не бесконечна.
Эти космологические парадоксы оставались неразрешенными до двадцатых годов нашего столетия, когда на смену классической космологии пришла теория конечной и расширяющейся Вселенной.
Мы уже говорили о началах термодинамики и некоторых выводах из них. Мир полон энергии, которая подчиняется важнейшему закону природы - закону сохранения энергии. При всех своих превращениях из одного вида в другой энергия не исчезает и не возникает из ничего. Общее количество энергии остается постоянным. Казалось бы, из этого закона неизбежно вытекает вечный круговорот материи во Вселенной. В самом деле, если в Природе при всех изменениях материи она не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы существования в другую, то Вселенная вечна, и материя, ее составляющая, пребывает в вечном круговороте. Таким образом, погасшие звезды снова превращаются в источник света и тепла. Никто, конечно, не знал, как это происходит, но убеждение в том, что Вселенная в целом всегда одна и та же, было в прошлом веке почти всеобщим.
Тем неожиданнее прозвучал вывод из второго закона термодинамики, открытого в прошлом веке англичанином У. Кельвином и немецким физиком Р. Клаузиусом. При всех превращениях различные виды энергии в конечном счете переходят в тепло, которое, будучи предоставлено себе, стремится к состоянию термодинамического равновесия, то есть рассеивается в пространстве. Так как такой процесс рассеяния тепла необратим, то рано или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в Природе прекратятся и Вселенная превратится в мрачное замерзшее кладбище. Наступит «тепловая смерть Вселенной».
Ошеломляющее впечатление, произведенное на естествоиспытателей прошлого века вторым началом термодинамики, было особенно сильно ещ>- и потому, что вокруг себя, в окружающей нас Природе они не видели фактов, его опровергающих. Наоборот, все, казалось, подтверждало мрачные прогнозы Клаузиуса.
Конечно, есть в Природе и антиэнтропийные процессы, при которых беспорядок, а значит, и энтропия уменьшаются. Таковы процессы, происходящие в органическом мире, в человеческой деятельности. Но при более глубоком рассмотрении ситуации всегда оказывается, что уменьшение беспорядка в одном месте неизбежно сопровождается его увеличением в другом. Более того, возникший по вине человека беспорядок значительно превышает тот порядок, который он внес в Природу, так что в конечном счете энтропия и тут продолжает расти.
Встать на позицию Клаузиуса - это значит признать, что Вселенная имела когда-то начало и неизбежно будет иметь конец. Действительно, если бы в прошлом Вселенная существовала вечно, то в ней давно наступило бы состояние тепловой смерти, а так как этого нет, то, по убеждению Клаузиуса и многих других его современников, Вселенная была сотворена сравнительно недавно. А в будущем, если не случится какое-нибудь чудо, Вселенную ждет тепловая смерть.
На опровержение второго начала термодинамики были брошены силы всех материалистически мыслящих ученых. Так, в 1895 г. Людвиг Больцман предложил свою вероятностную трактовку второго начала. По его гипотезе, возрастание энтропии происходит потому, что состояние беспорядка всегда более вероятно, чем состояние порядка. Но это не означает, что процессы противоположного характера, то есть самопроизвольные с уменьшением энтропии, абсолютно невозможны. Они в принципе возможны, хотя и крайне маловероятны.
Всюду мы наблюдаем, как тепло от более горячего тела переходит к более холодному. Однако в принципе возможно и другое: кусок льда, брошенный в печь, увеличит ее жар. Не исключено и такое событие, что все молекулы воздуха в нашей комнате соберутся вдруг в одном ее углу, а вы погибнете от удушья в другом. Наконец, возможно, что обезьяна, посаженная за пишущую машинку, случайно выстучит пальцем сонет Шекспира. Все эти события возможны, но вероятность их близка к нулю. Такова же, по Больцману, вероятность существования нас с вами.
Больцман не сомневался, что Вселенная бесконечна в пространстве и времени. В основном и почти всегда она пребывает в состоянии тепловой смерти. Однако иногда в некоторых ее районах возникают крайне маловероятные отклонения (флуктуации) от обычного состояния Вселенной. К одной из них принадлежит Земля и весь видимый нами космос. В целом же Вселенная - безжизненный мертвый океан с некоторым количеством островков жизни.
Гипотеза Больцмана хотя и подвергла сомнению всеобщность и строгую обязательность второго начала, не смогла удовлетворить оптимистически мыслящих ученых. К тому же и расчеты показали, что вероятность возникновения такой гигантской флуктуации в пространстве практически равна нулю.
Были и другие попытки объяснить этот термодинамический парадокс, но они так же не увенчались успехом.
Три космологических парадокса: фотометрический, гравитационный и термодинамический - заставили ученых серьезно усомниться в бесконечности и вечности Вселенной. Именно они заставили А. Эйнштейна в 1917г. выступить с гипотезой о конечной, но безграничной Вселенной.
Предположим, что вещество, составляющее планеты, звезды и звездные системы, равномерно рассеяно по всему мировому пространству. Тем самым мы допускаем, что Вселенная всюду однородна и к тому же изотропна, то есть во всех направлениях имеет одинаковые свойства. Будем считать, что средняя плотность вещества во Вселенной выше так называемой критической плотности. Если все эти требования соблюдены, мировое пространство, как это доказал Эйнштейн, замкнуто и представляет собой четырехмерную сферу, для которой верна не привычная школьная геометрия Евклида, а геометрия Римана.
- Т.Г.Грушевицкая, а.П.Садохин
- Тема 1. Наука и ее роль в жизни общества
- Тема 1 наука и ее роль в жизни общества проблема определения науки
- Соотношение науки, философии и религии
- Структура науки и ее функции
- Критерии научности знания
- Тема 2 научная теория. Структура и основания теории
- Теория как форма научного знания. Теория и научные программы
- Структура научной теории
- Гносеологические предпосылки науки
- Классификация научных теорий
- Научные понятия и способ их образования
- Введение и исключение научных абстракций
- Тема 3 методы научного познания. Развитие научного знания
- Методы научного познания
- Законы науки
- Развитие научного знания
- Специфика научных революций
- Тема 4 возникновение науки. Появление первых научных программ проблема начала науки
- Научные знания на древнем востоке
- Начало науки. Античная наука
- Первые научные программы античности
- Тема 5 формирование основ естествознания в эпоху средневековья и возрождения
- Основные черты средневекового мировоззрения
- Наука и научное познание в средние века
- Революция в мировоззрении в эпоху возрождения
- Тема 6 научная революция XVI-xvh вв. И становление классической науки
- Галилей и его роль в возникновении современной науки
- Основные аспекты научной революции
- Исаак ньютон и завершение научной революции
- Тема 7 специфика и природа современной науки
- Особенности классической науки
- Наука XIX века
- Новейшая революция в науке
- Основные черты современной науки
- Кризис современной науки. Постнеклассическая наука
- Тема 8 физическая картина мира
- Механическая картина мира
- Электромагнитная картина мира
- Становление современной физической картины мира
- Тема 9 структурные уровни организации материи структурность и системность материи
- Поле и вещество
- Классификация элементарных частиц
- Тема 10 физическое взаимодействие проблемы учения о взаимодействии и движении
- Общая характеристика физических взаимодействий
- Гравитационное взаимодействие
- Электромагнитное взаимодействие
- Слабое взаимодействие
- Сильное взаимодействие
- Теории большого объединения и суперобъединения
- Тема 11 концепции пространства и времени в современном естествознании
- Развитие представлений о пространстве и времени
- Теория относительности
- Единство и многообразие свойств пространства и времени
- Тема 12 детерминизм и причинность в современной физике. Динамические и статистические законы
- Динамические законы и теории и механический, детерминизм
- Статистические законы и теории и вероятностный детерминизм
- Соотношение динамических и статистических законов
- Тема 13 принципы современной физики
- Принцип симметрии и законы сохранения
- Принцип соответствия
- Принцип дополнительности и соотношение неопределенностей
- Принцип суперпозиции
- Основы термодинамики
- Тема 14 космологические модели вселенной что такое космология?
- Начало научной космологии
- Космологические парадоксы
- Неевклидовы геометрии
- Модель расширяющейся вселенной
- Некоторые трудности гипотезы расширяющейся вселенной
- Тема 15 эволюция вселенной рождение вселенной
- Ранний этап эволюции вселенной
- Структурная самоорганизация вселенной
- Образование солнечной системы
- Тема 16 проблемы самоорганизации материи формирование идеи самоорганизации
- Понятие самоорганизации
- Основы синергетики
- Неравновесная термодинамика и. Пригожина
- Тема 17 становление и развитие химической картины мира возникновение химии
- Алхимия
- Арабская алхимия
- Западноевропейская алхимия
- Период зарождения научной химии
- Теория флогистона
- Закон сохранения массы лавуазье
- Открытие основных законов химии
- Химия как наука
- Тема 18 современные концепции химии структура химии
- Взаимосвязь химии с физикой
- Проблема химического элемента
- Концепции структуры химических соединений
- Учение о химических процессах
- Эволюционная химия
- Взаимосвязь химии с биологией
- Тема 19 происхождение и сущность жизни история проблемы
- Концепция происхождения жизни а.И. Опарина
- Современные концепции происхождения и сущности жизни
- Сущность и определение жизни
- Появление жизни на земле
- Формирование биосферы земли
- Тема 20 эволюция органического мира
- Становление идеи развития в биологии
- Концепция развития ж.-б.Ламарка
- Теория катастроф ж. Кювье
- Эволюционная теория ч.Дарвина
- Антидарвинизм конца XIX-начала XX века
- Тема 21 современные теории эволюции
- Основы генетики
- Синтетическая теория эволюции (стэ)
- Тема 22 человек как предмет естествознания
- Происхождение человека
- Сущность человека
- Телесность и здоровье человека
- Тема 23 человек, биосфера и космос
- Человек и космос
- Космизация современной науки и философии
- Антропный принцип
- Тема 24 на пути к ноосфере
- Современные концепции экологии
- Концепция ноосферы и устойчивого развития