Античные философы и современные ученые о происхождении и устройстве Вселенной

ВВЕДЕНИЕ

На всем протяжении своего существования Человек изучает окружающий  его мир. Будучи мыслящим существом, Человек как  в  отдаленном  прошлом,  так  и сейчас, не мог и не может ограничиваться тем, что ему  непосредственно  дано на уровне его повседневной практической деятельности, и всегда  стремился  и будет стремиться выйти за ее пределы.

Характерно то, что  познание  окружающего  мира  человеком  началось  с космогонических размышлений. Именно тогда на заре умственной деятельности  и возникла мысль о "начале всех начал". История не  знает  ни  одного  народа, который рано или поздно в той или иной форме не задался этим вопросом  и  не пытался бы ответить на него. Ответы, конечно, были  разными,  в  зависимости от уровня духовного развития данного народа.  Развитие  человеческой  мысли, научно-технический прогресс позволили продвинуться в  разрешении  вопроса  о возникновении Вселенной  от мифологического мышления  к  построению  научных теорий.

Как же представляли себе образование Вселенной наши далекие предки? Как объясняет происхождение Вселенной современная  наука?  Рассмотрению  этих  и других связанных с  возникновением  Вселенной  вопросов  посвящается  данный реферат.

ДОНАУЧНОЕ РАССМОТРЕНИЕ ПРОИСХОЖДЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ.

В далеком прошлом мир виделся плоским диском, покоящимся на спинах слонов  или китов, накрытым сводом небес, на котором укреплены неподвижные звезды.

У древних народов происхождение Вселенной наделялось мифологической  формой,  сущность которой сводится к одному - некое божество создало весь окружающий  Человека мир. В соответствии с древнеиранской мифопоэтической  космогонией  Вселенная является  результатом  деятельности  двух  равносильных  и   взаимосвязанных творящих начал - бога Добра - Ахурамазды и бога  Зла  -  Ахримана.  Согласно одному  из  ее  текстов,  прасуществом,  разделение   которого   привело   к образованию частей видимой Вселенной, был  изначально  существующий  Космос. Мифологическая  форма  происхождения  Вселенной  присуща  всем  существующим религиям.

Многие выдающиеся мыслители далеких от нас исторических  эпох  пытались объяснить происхождение, строение  и  существование  Вселенной.  Заслуживают особого уважения их попытки при отсутствии современных  технических  средств посредством  только  своего  ума  и  простейших   приспособлений   осмыслить сущность  Вселенной.

Аристотель(III в. до н.э.) считал, что существует система концентрических сфер с центром в Земле и соединенных с планетами, и каждая из этих сфер вращается равномерно, но со своей скоростью и вокруг своей оси. При этом Аристотель рассматривал все сферы как реальные физические объекты. Такая схема была наиболее последовательной с точки зрения философии того времени, но она оставляла неясным, с помощью какого механизма происходит передача вращения одних сфер к другим и каким образом возникает комбинированное движение планет.

По Аристотелю, мир не имел начала и не будет иметь конца. Это противоречило догмату о сотворении человека и мира Богом. Аристотель утверждало невозможности существования пустоты в пространстве, а согласно общему мнению теологов пустоты допустимы внутри мира, их создание подвластно Богу.

Великий астроном и математик Клавдий Птолемей сделал выбор в пользу геоцентрической модели Мира. Птолемей построил геоцентрическую модель (по сути дела - модель солнечной системы), которая позволила объяснить все наблюдаемые особенности движения планет, Солнца и Луны, а главное, стала мощным инструментом для предсказания  положений этих небесных тел. Для описания движения планет Птолемей вводит систему деферентов (лат. deferentis- несущий) и эпициклов (лат. epi kyklos- на круге). Деферент - главная несущая окружность каждой планеты. По деференту движется не сама планета, а центр эпицикла. Сама планета равномерно движется по эпициклу, складываются два вращательных движения. В результате наблюдателю должно казаться, что планета выписывает на небе петли.

Путем сложных геометрических построений Птолемей сумел создать такую систему мира, что она давала возможность предсказывать солнечные и лунные затмения, находить небесные тела в тех точках неба, на какие указывала теория. Николай Коперник творил в период наивысшего пассионарного подъема в Европе- эпоху высокого Возрождения. Современник Леонардо да Винчи, Микеланджело и Рафаэля, он в основу своей системы Мира положил эстетический принцип красоты и простоты. По словам Коперника, важнейшим стимулом в его поисках было стремление "вернуть чистоту планетной теории, восстановить утраченную в теории Птолемея простоту и стройность мира планет ". Высоко оценивая систему Птолемея как выдающееся достижение античной астрономии, Коперник убедился в ее несостоятельности. Коперник разработал гелиоцентрическую систему Мира, основное содержание которой было то, что Земля вместе со всеми планетами движется в пространстве вокруг Солнца, и, кроме того, вращается вокруг некоторой воображаемой линии, земной осью.

Коперник впервые в астрономии дал правильный план строения Солнечной системы, определив относительные расстояния планет от Солнца, а также периоды их обращений[9].

Гелиоцентрическая система Коперника завершала более чем двухтысячелетний период развития умозрительных космологических теорий Вселенной и частично еще опиралась на некоторые древние космологические представления: Коперник представлял Вселенную замкнутым пространством, ограниченным сферой звезд; подобно Платону и Аристотелю, он считал истинные движения небесных тел равномерными и круговыми. И все же новая модель Мира принципиально отличалась от всех прежних теорий.

Вместе   с   изменением представления  о  строении  Вселенной,  менялось  и   представление о ее происхождении, хотя в условиях существующей  сильной  идеологической  власти религии  это  было  связано  с  определенной  опасностью.   Может   этим   и объясняется тот факт, что естествознание новоевропейского  времени  избегало обсуждения вопроса о происхождении Вселенной и сосредоточилось  на  изучении устройства Ближнего Космоса. Эта научная традиция надолго  определила  общее направление и саму методику астрономического,  а  затем  и  астрофизического исследований. В  результате  основы  научной  космогонии  были  заложены  не естествоиспытателями, а философами.

Первым на этот путь тупил Декарт, который попытался теоретически воспроизвести "происхождение светил, Земли и всего прочего видимого  мира как бы из некоторых  семян"  и  дать  единое  механическое  объяснение  всей совокупности известных ему астрономических, физических и  биологических явлений. Однако идеи Декарта были далеки от современной ему науки[4].

Поэтому историю научной космогонии справедливее было  бы  начать  не  с Декарта, а  с  Канта,  нарисовавшего  картину  "механического  происхождения всего мироздания". Именно Канту принадлежит первая в  научно-космогоническая гипотеза о  естественном   механизме  возникновения  материального  мира.  В безграничном пространстве Вселенной,  воссозданной  творческим  воображением Канта, существование бесчисленного  количества  других  солнечных  систем  и иных млечных путей столь  же  естественно,  как  и  непрерывное  образование новых миров и гибель  старых.  Именно  с  Канта  начинается  сознательное  и практическое соединение принципа всеобщей  связи  и  единства  материального мира. Вселенная перестала быть совокупностью божественных  тел,  совершенных и вечных. Теперь перед изумленным  человеческим  разумом  предстала  мировая гармония   совершенно   иного   рода   -   естественная   гармония    систем взаимодействующих и эволюционирующих астрономических  тел,  связанных  между собой  как  звенья  одной  цепи  природы.  Однако  необходимо  отметить  две характерные особенности дальнейшего развития научной космогонии.  Первой  из них является то, что послекантовская космогония  ограничила  себя  пределами Солнечной  системы  и  вплоть  до  середины  ХХ  века  речь  шла  только   о происхождении  планет,  тогда  как  звезды  и  их  системы   оставались   за горизонтом теоретического анализа.  Второй  особенностью  является  то,  что ограниченность    наблюдательных    данных,    неопределенность    доступной астрономической    информации,    невозможность     опытного     обоснования космогонических гипотез в  конечном  счете  обусловили  превращение  научной космогонии в систему абстрактных идей, оторванных  не  только  от  остальных отраслей естествознания, но и от родственных разделов астрономии[3].

ТИПЫ МОДЕЛЕЙ ВСЕЛЕННОЙ

  /. Колеблющаяся Вселенная. Приняв в целом идею расшире­ния Вселенной, Жорж Леметр, бельгийский священник, который брал уроки астрофизики у британского математика сэра Артура Эддингтона, сделал попытку увеличить возраст Вселенной, предположив, что всеобщее расширение в какой-то момент времени в прошлом было прервано квазистатической фазой. По модели Леметра, по­началу Вселенная активно расширяется, но плотность её такова, что гравитация замедляет и постепенно останавливает это расширение. Затем, своевременно введя гипотетическую физическую силу Эйнштейна и точно выбрав её величину, Леметр предполо­жил, что именно в тот момент, когда гравитация выводит пар из космического взрыва, возрастает сила отталкивания, компенсиру­ющая следствия гравитации. Расширение замедляется до почти полного прекращения и приводит к квазистатическому периоду. По­степенно сила отталкивания снова возрастает, порождая вторую фазу всеобщего расширения (именно в этой фазе и должна сейчас нахо­диться Вселенная)[4].

Модель Леметра вызвала раздражение у Эддингтона, который заявил, что она предполагает «внезапное и необычное начало». Вот что он пишет в своей исследовательской работе: «В философ­ском смысле мне отвратительна идея начала сущего порядка ве­щей в Природе... Я хотел бы найти настоящий выход». И Эддин-гтон попытался создать собственный обходной путь. Удлинив ква­зистатический период Леметра до бесконечности, он вообще уб­рал «отвратительное» начало из картины мира, чтобы «эволюция могла начаться в любой момент бесконечности».

Только к 1970-м годам накопилось достаточно свидетельств, позволивших исключить из космологической дискуссии модели колеблющейся Вселенной Леметра, Эддингтона и других. Физик Ваго Петросян из Ирана теоретически установил, что, если Все­ленная колеблется, то галактики и квазары должны быть ограни­чены определёнными пространственными пределами. Наблю­дения же доказали, что эти пределы превышены. Далее физи­ки-теоретики показали, что если квазистатический период пре­вышает триллион лет, то на его протяжении гарантированно дол­жно произойти как формирование галактики, так и её последую­щий, относительно немедленный коллапс и возвращение к изна­чальному состоянию сингулярности (бесконечно сжатое про­странство, представляющее собой тот предел, за которым про­странство вообще перестаёт существовать или — в случае Тво­рения — напротив, начинает своё существование)[5].

2. Стационарная Вселенная. В 1948 году трое английских ас­трофизиков — Герман Бонди, Томас Гоулд и Фред Хойл — сделали очередную попытку обойти идею начала, выдвинув гипотезу «не­прерывно продолжающегося творения». В их моделях Вселен­ная бесконечно расширяется, но при этом приобретает свойство оставаться вечной и неизменной, поскольку пустоты, образующие­ся в результате расширения, заполнены нескончаемым и самопро­извольным сотворением новой материи. В такой интерпретации со­творение материи из древнего чуда превратилось в действующий закон природы, который можно подтвердить наблюдениями.[1]

Рисунок.1. Семь типов поддающихся проверке моделей Вселенной. Наблю­дения опровергли почти все из них, кроме нескольких моделей Большого взрыва[5].

Сторонники теории стационарной Вселенной с самого начала ясно задекларировали свои намерения. По утверждению Бонди, «проблема» других теорий заключалась в том, что вопрос о творе­нии был «отдан в руки метафизиков». Хойл во вступительной гла­ве своей работы признаётся в «эстетическом неприятии идеи со­творения Вселенной в отдалённом прошлом». Позднее он выска­зывает следующую точку зрения на христианство: христианский взгляд на сотворение мира обрекает человека на «вечное разоча­рование». В 1982 году он снова повторяет свою догму: «Припи­сывать Вселенной определённый возраст — неважно, какой имен­но — значит, провозглашать концепцию времени выше самой Все­ленной, а такой подход — безумие, поскольку Вселенная — это все».

На протяжении 1960-х, 1970-х и в начале 1980-х годов был про­веден ряд сложных наблюдений и теоретических построений с це­лью подтвердить либо опровергнуть модель стационарной Вселен­ной. По иронии судьбы, простейших из тестов, предложенный ещё в 1920-х годах сэром Джеймсом Джинсом, был применён в самую последнюю очередь. Идея заключалась в следующем: стационар­ная Вселенная, не имеющая ни начала, ни конца, должна иметь «ста­ционарное население». Иными словами, количество молодых, сред­них, старых и угасших звёзд и галактик должно быть равномерным.[1].

Хотя наблюдению доступны звёзды в возрасте от нескольких дней до миллиардов лет, нигде во Вселенной не было обнаружено звёзд старше 16 миллиардов лет. Что же касается галактик, то все они, или почти все, находятся в среднем возрасте. Мы не видим недавно сформировавшихся галактик. Не наблюдается и угасших галактик. В 1985 году астроном Дональд Гамильтон установил, что все галактики сформировались приблизительно в одно и то же вре­мя. Теории стационарной Вселенной попросту не соответствуют данным наблюдений. В Таблице 1.1 приводится ряд свидетельств, опровергающих эти модели.

Таблица 1.1. Аргументы против модели стационарной Вселенной.

3.Осциллирующая Вселенная. Изыскания, приведшие к кончи­не моделей колеблющейся Вселенной и стационарной Вселенной, в то же время усилили позиции теории Большого взрыва и, следователь­но, идеи начала и Начинателя. Такой поворот событий обескуражил многих специалистов по космологии, и в смятении они возродили мо­дель, предложенную ранними учителями индуизма и древнеримски­ми философами-атеистами — модель осциллирующей Вселенной.[6].

Эта модель предполагает, что Вселенная должна иметь доста­точную массу для того, чтобы посредством гравитации остановить расширение и, более того, перейти к возвратной фазе, ведущей к полному коллапсу. Однако вместо того, чтобы вернуться к сингу­лярности, взрывающаяся Вселенная каким-то образом отскакивает и вновь расширяется. Этот цикл, согласно модели, повторяется сно­ва и снова. Бесконечное количество подобных циклов «избавляет нас от необходимости считать, что материя возникла в некий конк­ретный момент времени в прошлом». Следовательно, мы обязаны своим существованием некоему особо удачному скачку Вселенной (одному из бесконечного множества таких же скачков), в результа­те которого благодаря случайным естественным процессам частицы загадочным образом превратились в человеческие существа.

С 1965 года, когда модель осциллирующей Вселенной впервые была рассмотрена всерьёз, астрономы неустанно пытались обна­ружить массу, достаточную для остановки расширения Вселенной. И тем не менее все свидетельства наблюдения, равно как и теоре­тические расчёты, приводят к противоположному результату.

В 1983 и 1984 годах Марк Шер, Алан Гут  и Сидней Бладман продемонстрировали, что даже если Вселенная и содержит массу, достаточную для оста­новки своего текущего расширения, то коллапс всё равно породит не скачок, а лишь падение с глухим ударом. Из-за огромной энт­ропии Вселенной механическая энергия любого окончательного коллапса будет на несколько порядков меньше той, какая необхо­дима для скачка. Именно огромность энтропии и продиктовала название статьи Шера и Гута — «Невозможность скачущей Все­ленной». Иными словами, Вселенная куда больше походила бы на ком мокрой глины, шлёпающийся на толстый ковёр, нежели на бас­кетбольный мяч, отскакивающий от твёрдого деревянного пола. Очевидно, Вселенная либо непрерывно расширяется, либо прохо­дит только через один цикл расширения и сжатия[8].

Опровержения модели осцилляции Вселенной, предложенные Шером, Гутом и Бладманом, а ещё ранее — русскими физиками Игорем Новиковым и Яковом Зельдовичем, не включали в себя никаких предположений относительно слияния чёрных дыр в тот момент, когда Вселенная сжимается до точки, в которой домини­руют квантово-гравитационные эффекты. Поэтому недавно была сделана попытка оживить модель скачущей Вселенной — уже с учётом такой возможности. Однако, как признают авторы этой кон­цепции Арнольд Сиккема и Вернер Иераэль, последовательной квантовой теории гравитации пока не су­ществует, и возрождённая модель представляет осциллирующую Вселенную со строго ограниченным, конечным числом скачков.

Доводы против моделей осцил­ляции кратко суммируются в Таблице 1.2.[5].

Таблица 1.2. Аргументы против моделей осциллирующей Вселенной

ИНФЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ВСЕЛЕННОЙ

Инфляционная модель Вселенной — гипотеза о физическом состоянии и законе расширения Вселенной на ранней стадии Большого Взрыва (при температуре выше 1028 K), предполагающая период ускоренного по сравнению со стандартной моделью горячей Вселенной расширения. Предложена в 1981году Аланом Гутом и Андреем Линде

Первая и важнейшая проблема связана с причинами Большого Взрыва, сложившимися в первые мгновения Вселенной. Они моделируются так называемой гипотезой инфляционной Вселенной. В основе этой гипотезы – представление о существовании компенсирующей гравитационное притяжение силы космического отталкивания невероятной величины, которая смогла разорвать некое начальное состояние материи и вызвать её расширение, продолжающееся по сей день. В этой модели начальное состояние Вселенной является вакуумным[10].

Физический вакуум – это наинизшее энергетическое состояние всех полей, форма материи, лишённая вещества и излучения, но характеризующаяся активностью, возникновением и уничтожением виртуальных частиц (постоянно  «кипит», но не выкипает) и способностью находиться в одном из многих состояний с сильно различающимися энергиями и давлениями, причём эти давления – отрицательные. Возбужденное состояние такого вакуума называют «ложным вакуумом», который способен создать гигантскую силу космического отталкивания. Эта сила и вызвала безудержное и стремительное раздувание «пузырей пространства» ( зародышей одной или нескольких вселенных, каждая из которых характеризуется, допустим своими фундаментальными постоянными), в которых концентрировались гигантские запасы энергии. Подобное раздувание Вселенной  осуществлялось по экспоненте ( за каждые 10  с диаметр Вселенной увеличивался в 10 раз). Скорость раздувания значительно превосходила световую, но это не противоречит закону теории относительности, так как раздувание не связано с установлением причинно-следственных связей в веществе. Данный тип раздувания был назван инфляцией. Такое быстрое расширение означает, что все части Вселенной разлетаются, как при взрыве. А это и есть Большой Взрыв. В период квантовой космологии, т.е. с 10  по 10   с произошло, по-видимому, и формирование пространственно-временных характеристик нашей Вселенной.

Но фаза инфляции не может быть длительной. Отрицательный (ложный) вакуум неустойчив и стремится к распаду. Когда распад завершается, отталкивание исчезает, следовательно, исчезает и инфляция. Вселенная переходит во власть обычного гравитационного притяжения. «Часы» Вселенной в этот момент показывали всего 10  с. Но благодаря полученному первоначальному импульсу, приобретенному в процессе инфляции, расширение Вселенной продолжается, но неуклонно замедляется. Постепенное  замедление расширения Вселенной – это единственный  след, который сохранился до настоящего времени от начальных моментов Большого Взрыва[8].

В конце фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной, но по окончании фазы огромные запасы  энергии, сосредоточенные в исходном физическом вакууме, высвободились в виде излучения, которое мгновенно нагрело Вселенную до температуры примерно 10  К и энергии 10  ГэВ. С этого момента начинается эволюция горячей Вселенной. Благодаря энергии возникли вещество и антивещество, затем Вселенная стала остывать и испытывать последовательные фазовые переходы, в которых постепенно стали «кристаллизироваться» все её элементы, наблюдаемые сегодня.

Инфляционная модель Большого Взрыва объясняет крупномасштабную однородность и изотропность, образование структур галактик и их скоплений из первичных малых возмущений плотности, особенности изменения радиуса пространственной кривизны ( современное его значение близко к единице, как и в момент Большого Взрыва).

Несмотря на то что инфляционная модель разработана пока только частично, тем не менее она позволяет успешно объяснить ряд фундаментальных космологических закономерностей. Большой Взрыв перестал быть загадкой, лежащей за пределами естествознания.

ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ

Темная материя-название совокупности астрономических объектов, недоступных прямым наблюдениям современными средствами астрономии (то есть не испускающие электромагнитного излучения достаточной для наблюдений интенсивности), но наблюдаемым косвенно по гравитационным эффектам, оказываемым на наблюдаемые объекты.

Общая проблема скрытой массы состоит из двух проблем:

1.астрофизической, то есть противоречия наблюдаемой материи гравитационно связанных объектов и их систем, таких, как галактики и их скопления, с их наблюдаемыми параметрами, определяемыми гравитационными эффектами;

2.космологической — противоречия наблюдаемых космологических параметров полученной по астрофизическим данным средней плотности Вселенной[7].

Природа и состав тем ной материи

Кроме прямых наблюдений гравитационных эффектов скрытой массы существует ряд объектов, прямое наблюдение которых затруднено, но которые могут вносить вклад в состав скрытой массы. В настоящее время рассматриваются объекты барионной и небарионной природы: если к первым относятся достаточно хорошо известные астрономические объекты, то в качестве кандидатов во вторые рассматриваются нейтрино и гипотетические элементарные частицы, следующие из классической квантовой хромодинамики (аксионы) и суперсимметричных расширений квантовых теорий поля.

По современным представлениям, только около 4,4 % массы Вселенной составляет обычная барионная материя. Приблизительно 23 % приходится на небарионную тёмную материю, не участвующую в сильном и электромагнитном взаимодействии. Она наблюдается только в гравитационных эффектах.

В зависимости от скорости частиц различают горячую и холодную тёмную материю. Горячая тёмная материя состоит из частиц, движущихся с околосветовыми скоростями, по-видимому, из нейтрино.

Горячей тёмной материи недостаточно, по современным представлениям, для формирования галактик. Исследование структуры реликтового излучения показало, что существовали очень мелкие флуктуации плотности вещества. Быстро движущаяся горячая тёмная материя не могла бы сформировать такую тонкую структуру.

Холодная тёмная материя должна состоять из массивных медленно движущихся (и в этом смысле «холодных») частиц или сгустков вещества. Экспериментально такие частицы не обнаружены[7].

ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ

Тёмная энергия — в космологии гипотетическая форма энергии, имеющая отрицательное давление и равномерно заполняющая всё пространство Вселенной. Согласно общей теории относительности, гравитация зависит не только от массы, но и от давления, причём отрицательное давление должно порождать отталкивание, антигравитацию. Согласно последним данным, обнаружившим ускоренное расширение Вселенной, такая сила действительно действует в космологических масштабах.[8].