Развитие научной космологии

Современная космология - это астрофизическая теория, изучающая структуру и динамику развития Метагалактики, включающая в себя понимание свойств всей Вселенной.

Небесный мир всегда волновал человека. Вопрос о строении, развитии и происхождении Вселенной был предметом научного поиска для многих поколений ученых.

Космология берет свое начало в древнегреческой мифологии, где достаточно  подробно и систематизировано рассказывается о сотворении мира и его устройстве. Итогом научной космологии античности стала геоцентрическая концепция Птолемея, просуществовавшая в течение всего средневековья.

Основателем научной космологии считается Николай Коперник, создавший гелиоцентрическую модель Вселенной. В центр Вселенной он поместил Солнце, вокруг которого вращались планеты, за орбитами которых располагалась сфера неподвижных звезд. Их природа в тот период была неясна. За сферой неподвижных звезд, по мнению Коперника, находился «эмпирей» - место обитания сверхъестественных тел и существ. Таким образом, Вселенная по Копернику - это мир в скорлупе.

Теория множественности миров была выдвинута Джордано Бруно. Он считал, что Вселенная состоит из бесконечного множества звезд, которые являются далекими солнцами, согревающими бесчисленные планеты. Идеи Бруно намного обогнали его эпоху, но не имели фактов, доказывающих их справедливость.

Окончательно идея полицентризма, т. е. наличие множества центров во Вселенной, была доказана Галилео Галилеем. С помощью изобретенного им телескопа он установил вращение планет вокруг Солнца и их сходство с Землей. Современник и друг Галилея, Иоганн Кеплер уточнил законы движения планет. Эти исследования заставили постепенно отказаться от ошибочного представления о Солнце как центре Вселенной.

Классическая модель Вселенной была построена Исааком Ньютоном. Сущность этой теории можно выразить в следующих положениях:

1.      1.       Вселенная вечна, т. е. является бесконечной в пространстве и времени.

2.      2.       Пространство играет пассивную роль и является вместилищем небесных тел.

3.      3.       Количество звезд, планет и звездных систем во Вселенной бесконечно велико.

4.      4.       Движением планет и развитием небесных тел управляет закон всемирного тяготения.

5.      5.       Каждое небесное тело проходит длительную эволюцию и на смену погасшим светилам приходят новые.

Классическая модель Вселенной была признанной в науке вплоть до начала ХХ века. Однако в конце XVIII- начале XIX вв. два астронома Р. Шезо и Ф. Ольберс независимо друг от друга пришли к выводу, что небосвод, обильно усеянный звездами, должен был бы излучать свет, во много раз более интенсивный, чем свет солнца. Это парадоксальное утверждение получило в астрономии наименование фотометрического парадокса Шезо-Ольберса.

В конце XIX в. немецкий астроном К. Зеелигер открыл гравитационный парадокс. Суть парадокса в том, что при бесконечной Вселенной сила тяготения со стороны всех тел на определенное тело должно быть бесконечно большой. Бесконечно большими должны быть и скорости движения небесных тел, чего не наблюдается в действительности. Из этого был сделан вывод, что количество небесных тел ограничено, а значит, Вселенная не бесконечна.

Особенно больших успехов космология добилась в ХХ веке, когда на смену различным догадкам пришли достаточно обоснованные факты, гипотезы, теории. Многие из них допускали, что на разных уровнях существования природы повторяются одни и те же законы, и различия могут быть лишь в масштабах. Такова космология английского физика Фурнье Дальба (1911 г.). Его модель Вселенной напоминает матрешку. Вселенные меньших размеров существуют в более крупных и в их устройстве проявляются одни и те же правила.

После создания планетарной модели атома Резерфордом эти нашли отражение в космологии. Предположили, что ядро атома - это Солнце, а электроны - планеты, на которых может быть жизнь. Таким образом, наш мир является такой же элементарной единицей Мегамира.

Значительным явлением в космологии была гипотеза тепловой смерти Вселенной Р. Клазиуса и У. Кельвина, вытекающая из второго закона термодинамики. В соответствии с этой гипотезой, различные виды энергии при всех превращениях в конечном итоге переходят в тепло, которое стремится к состоянию термодинамического равновесия, т. е. рассеивается в пространстве. Таким образом, Вселенную ожидает тепловая смерть.

Попытка решения термодинамического парадокса была предпринята Л. Больцманом, предложившим вероятностную гипотезу развития Вселенной. По его мнению, Вселенная почти всегда пребывает в состоянии тепловой смерти, но иногда в некоторых ее областях возникают крайне маловероятные отклонения от обычного состояния (флуктуации). Таким участком является Земля и весь видимый космос. В целом Вселенная - это мертвый океан с небольшими островками жизни.

Такое объяснение не смогло удовлетворить многих ученых, т. к. расчеты показали, что вероятность возникновения такой гигантской флуктуации в пространстве практически равна нулю.

Три космологических парадокса: фотометрический, гравитационный и термодинамический - заставили ученых усомниться в бесконечности и вечности Вселенной.

В 1917 г. А. Эйнштейн выступил с гипотезой о стационарной Вселенной. Из расчетов Эйнштейна следовало, что Вселенная является четырехмерной сферой. Таким образом, Вселенная конечна по объему, как поверхность любой сферы, и не имеет границ. Количество звезд и звездных систем Вселенной, хотя и огромно, но конечно. В соответствии с теорией Эйнштейна, Вселенная не вечна и развивается в направлении тепловой смерти.

В 1922 году российский физик Александр Фридман на основании строгих расчетов сформулировал гипотезу о нестационарности Вселенной. По его мнению, Вселенная Эйнштейна не может быть стационарной. Она непременно должна расширяться, причем расширяться должно пространство. Вселенная Фридмана подобна раздувающемуся мыльному пузырю, площадь поверхности и радиус которого непрерывно увеличиваются. Из расчетов Фридмана вытекают три возможных следствия:

• ·         Вселенная и ее пространство расширяются с течением времени;
• ·         Вселенная сжимается;
• ·         во Вселенной чередуются циклы расширения и сжатия;

Доказательства в пользу модели расширяющейся Вселенной были получены в 1926 году американским астрономом Д. Хабблом. При исследовании спектров далеких галактик он открыл красное смещение, т. е. смещение спектральных линий к красному концу спектра как следствие эффекта Доплера (изменение частоты колебаний и длины волны из-за движения источника излучения по отношению к наблюдателю). Красное смещение, т. е. увеличение длин волн у наблюдаемых объектов может происходить только у удаляющихся объектов. По последним измерения скорость удаления галактик друг от друга составляет 55 км/с. После этого открытия в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной.

  В последние десятилетия  уточнены величины, характеризующие скорость расширения Вселенной, определено наиболее вероятное время ее существования - около 15 млрд. лет. Вопрос о цикличности расширений и сжатий пока остается открытым.