Основные понятия космологии. Эволюция представлений об устройстве Вселенной

Космология в гораздо большей степени, чем любая другая естественная наука связана с философскими проблемами и концепциями. Известно, что в глубокой древности философия зародилась в результате попыток решения именно универсальных космологических проблем. Древние мыслители задава­лись следующими вопросами: откуда и из чего возник мир, каким было его на­чало; куда движется в своём развитии мироздание; каково место человека в ми­ре, одиноки ли мы во Вселенной?

Двадцатый век - время расцвета космологии наконец-то внёс ясность в философские дискуссии, продолжавшиеся в течение многих столетий. Космо­логия нарисовала перед нами широкую и впечатляющую картину устройства и развития мироздания. При этом обнаружилось, что в ней удивительным обра­зом произошёл синтез различных, считавшихся прежде непримиримыми, типов мировоззрений религиозного и научного. Их объединила концепция Большого взрыва, удачно вписывающаяся и в рамки религиозных доктрин, и естествен­нонаучных теорий, подтверждённых экспериментально. Таким образом, можно констатировать огромную роль космологии в формировании единого целостно­го космического мировоззрения, открывающего перед человеком и человечест­вом безграничные перспективы дальнейшего развития.

Огромное мировоззренческое значение современной космологии, таким образом, очевидно. Очевидна, поэтому и необходимость выделения данной те­мы в качестве самостоятельной в рамках курса «Концепции современного есте­ствознания».

В рамках данной лекции не представляется возможным дать полную кар­тину развития и современного состояния космологии. Не получили освещения по причине ограниченности объёма и некоторые важные проблемы космологии, такие, например, как проблема существования чёрных и белых дыр, проблема объяснения энергетической активности квазаров. Не затронуты перспективы развития инструментальной базы наблюдательной космологии. Не рассмотрены космологические концепции, конкурирующие с теорией Большого взрыва. Для ознакомления со всеми этими вопросами мы советуем обратиться к дополни­тельной литературе, список которой приводится в конце данного учебного по­собия.

Любого из нас поражает величественная картина звёздного неба, раски­нувшегося от горизонта до горизонта. Душу переполняет чувство трепета перед грандиозностью Мироздания, и невольно возникают вопросы, кто мы, каково наше место во Вселенной, и как она устроена? Те же самые вопросы задавал себе человек на заре цивилизации. В поисках ответа на эти вопросы, не удовле­творяясь мифологическими и религиозными объяснениями, древний человек начинает обращаться к естественнонаучным методам познания. Так постепенно формируется наука об устройстве космоса. Вселенной - космология.

Современное определение космологии звучит следующим образом. Кос­мология - это наука, занимающаяся изучением крупномасштабной структуры и эволюции Вселенной. Изучением происхождения наблюдаемых космических объектов  от Солнечной системы до скоплений галактик занимается раздел космологии, называемый космогонией. Космология занимается поиском отве­тов на следующие вопросы: когда и как возникла Вселенная, как образовались галактики во всём многообразии их форм и размеров, как рождаются и эволю­ционируют звёзды как возникают планеты и жизнь.

Наряду с космологией, исследованием космических тел и космических явлений занимается такая наука как астрономия, но в отличие от первой она не ставит перед собой глобальных целей, не претендует на выявление законов эволюции Вселенной в целом. Астрономия (от греч. «астрон» - звезда и «номос» - закон) первоначально возникла как наука о наблюдаемых на небе звёз­дах. Сейчас в XX веке в связи с развитием технических средств наблюдения и космонавтики она резко расширила границы своего предмета исследования. Различные астрономические дисциплины - астрофизика, астрохимия, астро­биология, небесная механика, радиоастрономия и др. исследуют строение и развитие космических тел и систем: планет, звёзд, галактик и т.д., давая эмпи­рический материал для глобальных обобщений, которыми занимается космоло­гия. Сейчас очень трудно провести границу, за которой кончается астрономия и начинается космология.

Что мы знаем об устройстве Вселенной на сегодняшний день? Мы живём на одной из планет Солнечной системы - Земле. Она вращается, как и другие планеты по эллиптической орбите вокруг Солнца. Наш ближайший космиче­ский сосед - Луна, спутник Земли, вращающийся вокруг неё на расстоянии 384000 км, что составляет примерно 30 диаметров Земли.

Солнце - это рядовая звезда, по своим характеристикам мало чем приме­чательная среди миллиардов других звёзд во Вселенной. Она представляет со­бой раскалённый газовый шар, диаметром в сто раз превышающим диаметр Земли, и массой в 330000 раз большей массы нашей планеты. Среднее расстоя­ние от Земли до Солнца составляет примерно 150 млн. км. В астрономии и космологии эта цифра используется как единица измерения космических расстоя­ний и называется астрономической единицей (а.е.).

Наша Солнечная система - это девять планет со спутниками, кометы, ас­тероиды, космическая пыль и газ. Всё это движется вокруг Солнца под дейст­вием силы гравитации. Планеты располагаются в следующем порядке по мере удаления их от Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун и Плутон. Предполагается, что за Плутоном находится облако комет, и именно оттуда изредка кометы совершают рейды во внутренние об­ласти Солнечной системы. Расстояния от планет до Солнца колеблются в пре­делах от 0,4 а.е. (для Меркурия) до 40 а.е. (для Плутона).

Для определения расстояний за пределами Солнечной системы удобно использовать другую более крупную единицу измерения - световой год. Так как свет обладает наибольшей среди материальных объектов скоростью распространения - 300000 км/с, часто бывает удобно определять расстояния, измеряя затраченное на его прохождение время. От Луны свет дойдёт до нас за 1,3 с от Солнца - за 8,5 мин, а от ближайшей к Солнечной системе звезды Проксимы Центавра свет достигнет нас за 4,2 года. Таким образом, световой год - это расстояние, которое луч света преодолевает за один год. Если перевести в ки­лометры, то это будет составлять 9,46 млн. млн. км (9,46-Ю¹² км) или примерно 63240 а.е.

Увеличивая масштабы рассмотрения, мы обнаружим, что Солнце входит в обширную звёздную систему — Галактику, состоящую из более чем 100 млрд. звёзд. На звёздном небе мы можем наблюдать нашу Галактику - это Млечный путь. Диаметр Галактики оценивается примерно в 100000 световых лет, а по форме она похожа на сплюснутый диск. В центре Галактики находится ядро, где плотность распределения звёзд очень высока. На периферии от ядра звёзд меньше, они располагаются более разреженно. Именно там, на расстоянии примерно 30000 св. лет от ядра находится наше Солнце со своими планетами.

Кроме нашей Галактики во Вселенной существуют ещё миллиарды дру­гих галактик, имеющих самую различную форму и очертания. В совокупности система всех галактик Вселенной называется Метагалактикой. Галактики группируются в скопления различного размера. К одному из таких скоплений, называемому Местной группой галактик принадлежит наша Галактика. К ней же принадлежит и знаменитая туманность Андромеды - галактика, удалённая от нас на 2200000 св. лет. При идеальных атмосферных условиях её можно на­блюдать на звёздном небе невооружённым глазом. При помощи телескопов можно наблюдать галактики, удалённые от нас на 5 млрд. св. лет, а при помощи особо мощных радио-телескопов можно обнаружить галактики на расстоянии до 15 млрд. св. лет. Таковы масштабы Вселенной, доступные сегодня для на­блюдения, и таковы наши современные представления о структуре мегамира, сложившиеся к концу XX века. Однако далеко не всё, что мы знаем о Вселен­ной сейчас, было очевидно для человека прошлого. В древности представления об устройстве Вселенной были весьма и весьма примитивными. Прежде чем космология достигла современного уровня, она прошла долгую историю разви­тия. Остановимся на её основных этапах.

Самой ранней формой объяснения небесных явлений и устройства космо­са была мифология. Исходя из мифологических представлений, древние люди помещали в центр мироздания Землю, которая рисовалась в сознании разных народов то плоской, то имеющей форму чечевицы. Древним египтянам, напри­мер, мир казался большой вытянутой с севера на юг долиной, накрытой гигант­ской железной крышей, поддерживаемой высокими столбами. В центре долины вдоль берегов реки Нил помещался Египет. Небесные светила и звезды уподоб­лялись светильникам, подвешенным к небесной тверди.

В Древнем Вавилоне считали, что Земля - это выпуклый остров, возвы­шающийся над мировым океаном. Небо же казалось им твёрдым куполом, опи­рающимся на земную твердь, и отделяющим «нижние воды» (океан) от «верх­них вод» (дождевых). По куполу небес, как считали вавилоняне, поднимаясь утром из восточных ворот, а вечером, опускаясь в западные, ходит Солнце. Над небом расположено обиталище богов, кроме того, к небу прикреплены звёзды и другие небесные светила.

Религиозное мировоззрение мало что изменило в этой очевидной для обыденного опыта картине мира. На смену мифическим богам, творившим мир из различных субстанций (огонь, вода, земля, воздух, и т.д.), приходит христи­анский единый Бог, сотворивший мир из ничего, и вновь поместивший в центр мироздания Землю.

Несмотря на обилие фантастических мифологических сюжетов в объяс­нении происхождения небесных тел. Земли, несмотря на всю их наивность, вместе с тем, постепенно происходит накопление реальных знаний о космосе. Знания эти основывались на тщательных наблюдениях, имеющих целью прак­тическое применение, прежде всего, нужды сельского хозяйства. Древние люди разделили полосу неба вдоль годичного пути движения Солнца на двенадцать частей, и выделили на звёздном небе соответственно двенадцать созвездий, ко­торые были названы древними греками зодиакальными. Название каждого со­звездия отражало особенности того сезона, который наступал в момент нахож­дения Солнца в данном созвездии. Например, когда Солнце входило в знак Во­долея, следовало ожидать половодье, когда Солнце переходило в знак Рыб, то это говорило о наступающем нересте. Среди звёзд древние люди выделили пять особых «блуждающих» светил. Римляне в честь своих Богов назвали их Мерку­рий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Характерной их особенностью было то, что через определённый промежуток времени они возвращались на прежнее своё место, совершив полный небесный круг по всем созвездиям Зодиака. Древние астрономы потратили довольно много времени, определяя периодич­ность движения этих небесных тел, получивших название планет. Данные этих наблюдений впоследствии оказали большое влияние на построение первых ес­тественнонаучных моделей устройства Вселенной.

Первой попыткой естественнонаучного подхода к построению системы Мира было космологическое учение древнегреческого ученого Пифагора (ок. 580-500 до н.э.), считавшего, что движение небесных тел должно подчиняться определённым математическим законам. Пифагор полагал, что планеты. Луна и Солнце вращаются вокруг центрального мирового огня. Они жёстко прикреп­лены к хрустальным сферам, пространство между которыми заполнено возду­хом. При движении небесных тел эти сферы издают гармоничные звуки, соот­ветствующие звукам музыкальной гаммы.

В VI веке до н.э. большую популярность приобрело космологическое учение Платона (427-347 до н.э.). В его системе планеты двигались по строго круговым, совершенно правильным орбитам вокруг Земли с различными ско­ростями. Будучи достаточно красивой, эта космологическая модель имела серь­ёзные недостатки, ибо не учитывала видимое движение планет, которые на фо­не звёздного неба иногда отклонялись от прямолинейного движения, и казались движущимися вспять. Понимая всю сложность задачи создания космологиче­ской модели Вселенной, Платон чётко сформулировал математическую задачу, которую необходимо решить: как при помощи равномерных и правильных кру­говых движений описать все видимые на небе перемещения планет. Эту задачу необходимо было решить чисто геометрически, не привлекая в модель посто­ронних излишних допущений. При этом центральное положение Земли Плато­ном не подвергалось сомнению.

Первую попытку убедительно объяснить странное поведение планет на звёздном небе предпринял Евдокс Книдский (406-355 до н.э.) - младший со­временник Платона. Не отказываясь от общепринятой тогда идеи о централь­ном положении Земли, он допустил, что орбита каждой из планет образуется в результате совместного вращения вложенных друг в друга сфер. Каждая сфера прикреплена полюсами к другой, внешней по отношению к первой, сфере. Эта сфера, в свою очередь, крепится полюсами к следующей, но уже в плоскости другой оси.

Введя 33 небесные сферы Евдокс смог объяснить все наблюдаемые в то время движения планет.

Идеи Евдокса были восприняты и развиты Аристотелем (384-322 до н.э.), который попытался построить философски обоснованную физическую модель Вселенной. Усложнив схему Евдокса, он вводит дополнительные сферы враще­ния, и доводит их количество до 55. Вот как описывает свои взгляды на устрой­ство мира сам Аристотель: «Солнце и планеты обращаются около Земли, нахо­дящейся неподвижно в центре мира. Наш огонь, относительно цвета своего, не имеет никакого сходства со светом солнечным, ослепительной белизны. Солнце не состоит из огня, оно есть огромное скопление эфира. Теплота Солнца при­чиняется действием его на эфир во время обращения вокруг Земли. Кометы суть скоропреходящие явления, которые быстро рождаются в атмосфере и столь же быстро исчезают. Млечный Путь есть не что иное, как испарения, воспламененные быстрым вращением звёзд около Земли... Движения небесных тел, вообще говоря, происходят гораздо правильнее, чем движения, замечаемые на Земле; ибо, так как тела небесные совершеннее любых других тел, то им приличествует самое правильное движение, и вместе с тем самое простое, а та­кое движение может быть только круговым, потому что в этом случае движе­ние бывает вместе с тем и равномерным. Небесные светила движутся свободно подобно богам, к которым они ближе, чем к жителям Земли; поэтому светила при движении своём не нуждаются в отдыхе и причину своего движения за­ключают в самих себе. Высшие области неба, более совершенные, содержащие в себе неподвижные звезды, имеют поэтому наиболее совершенное движение -всегда вправо. Что же касается части неба, ближайшей к Земле, а поэтому и ме­нее совершенной, то эта часть служит местопребыванием гораздо менее совер­шенных светил, каковы планеты. Эти последние движутся не только вправо, но и влево, и притом по орбитам, наклоненным к орбитам неподвижных звёзд. Все тяжёлые тела стремятся к центру Земли, а так как всякое тело стремится к цен­тру Вселенной, то поэтому и Земля должна находиться неподвижно в этом цен­тре». Взгляды Аристотеля оказали огромное влияние на дальнейшее развитие космологии и около двух тысяч лет считались истиной в последней инстанции.

Несмотря на господство в античную эпоху геоцентрической модели мира, находились учёные, пытавшиеся создать гелиоцентрические учения. Одним из них был Аристарх Самосский (ок.320-ок.250 до н.э.). Его модель была гораздо проще аристотелевской, но идея о вращении Земли вокруг Солнца была слиш­ком непривычна для мировоззрения той эпохи. Кроме того, современники ссы­лались на авторитет Аристотеля, который выдвигал против геоцентрической модели мира серьёзный аргумент: если бы Земля двигалась по орбите в про­странстве относительно сферы неподвижных звёзд, то это движение должно было бы приводить к наблюдаемому перемещению звёзд на небе. В те времена из-за несовершенства средств наблюдения такое перемещение звёзд действи­тельно не наблюдали (годичное параллактическое смещение звёзд откроют только в середине 19 века).

Все перечисленные выше модели мира, нельзя считать подлинно науч­ными, ибо все они страдают существенным недостатком - отсутствием опоры на систематические астрономические наблюдения, большую роль в них играют ничем не подкрепленные предположения, выводы делаются часто на основе до­гадок. Астрономия впервые начинает претендовать на статус строгой науки лишь во II веке до н.э. благодаря работам выдающегося астронома античности Гиппарха из Никеи (190-125 до н.э.). Гиппарх, помимо систематических и ин­тенсивных наблюдений за звездным небом, прославился тем, что заложил ос­новы сферической астрономии и тригонометрии, рассчитал аномалии солнеч­ного и лунного движения, определил расстояния от Земли до Луны и Солнца. Обнаружив, что Луна и Солнце движутся по небу неравномерно, Гиппарх предположил, что хотя планеты и движутся по правильным круговым орбитам, но центры этих круговых орбит смещены по отношению к центру Земли, то есть, имеет место эксцентриситет. Сделав такое предположение, вместе с тем, Гиппарх не стал разрабатывать свою модель Вселенной. Он ограничился лишь критикой существующих моделей, указав на их неудовлетворительность. После исследований Гиппарха популярная в прошлом идея правильных хрустальных сфер была окончательно отброшена. Модели Мира, предлагаемые астронома­ми, теперь были гораздо сложнее и изощреннее.

Во II веке н.э. греческим астрономом Клавдием Птолемеем (ок. 90-160 н.э.) была предложена геоцентрическая модель мира, которая подвела итог раз­витию античной космологии. Птолемей, опираясь на научное наследие своих предшественников, и, прежде всего, Гиппарха, утверждал, что планеты должны двигаться по малым окружностям (эпициклам), центры которых движутся во­круг Земли по окружности большего радиуса — деференту. Хотя идея использо­вания эпициклов и деферентов выдвигалась ещё до Гиппарха Аполлоном Пергским, именно Птолемею принадлежит заслуга создания целостной всеобъем­лющей космологической системы Мира.

Использование эпициклов и деферентов позволило Птолемею объяснить все наблюдаемые на звёздном небе движения небесных тел. Для этого ему пришлось ввести 39 эпициклов. Несмотря на громоздкость, эта модель устрой­ства мира была довольно удачной. Тщательно подбирая для каждой планеты сочетания эпициклов, Птолемей добился небывалой для того времени точности предсказаний движения планет. Система мира Птолемея быстро получила при­знание и продержалась в науке в течение четырнадцати веков. Время от време­ни её усовершенствовали, вводя новые эпициклы.

В то же время ученых не прекращал волновать вопрос, нельзя ли постро­ить более простую модель мира, сохраняя точность предсказаний движения планет. Пытаясь ответить на этот вопрос, в 1543 году польский астроном Нико­лай Коперник (1473-1543) публикует свою знаменитую работу «О вращении небесных сфер», в которой утверждает, что Земля вовсе не является центром Вселенной. Она, наряду с другими планетами, должна вращаться вокруг Солн­ца.

Гелиоцентрическая система Коперника была существенно проще птоле-месвской. Она хорошо объясняла обратные движения планет, но полностью обойтись без эпициклов Коперник всё же не смог. Он считал вслед за Плато­ном, что планеты должны двигаться по идеальным круговым орбитам с посто­янной скоростью. Поэтому для объяснения замедления и ускорения движения планет по небу ему потребовалось ввести 34 эпицикла (все же меньше, чем у Птолемея).

Самым известным сторонником системы Коперника был итальянский учёный Галилео Галилей (1564-1642), который впервые использовал телескоп для астрономических наблюдений. За несколько месяцев 1609 года он сделал открытия, полностью изменившие представления человека об устройстве Все­ленной. Поверхность Луны оказалась очень похожей на земной ландшафт, на ней были видны горы и долины. Звёзд на небе оказалось гораздо больше, чем видно невооружённым глазом, а Млечный путь распался на огромное количе­ство отдельных слабо светящихся звёзд. Наблюдая на поверхности Солнца пят­на, Галилей пришёл к выводу, что оно вращается. И, наконец, наблюдения сме­ны фаз Венеры, подобные смене фаз Луны, необъяснимые в геоцентрической системе Птолемея, окончательно убедили Галилея в правильности системы Ко­перника.

Все видимые перемещения планет по звёздному небу получили оконча­тельное объяснение в рамках гелиоцентрической системы мира у немецкого ас­тронома Иоганна Кеплера (1571-1630), предположившего, что планеты движут­ся вокруг Солнца не по круговым, а по эллиптическим орбитам, то ускоряя, то замедляя свой ход. При этом полностью отпадала необходимость введения эпициклов.

Несмотря на убедительность и стройность, космологические модели Ко­перника и Кеплера воспринимались большинством их современников не более как математические гипотезы. Научную основу коперниканская гелиоцентри­ческая система получила лишь после создания Ньютоном классической меха­ники. Именно Ньютон объяснил, почему планеты удерживаются в своём вра­щении вокруг Солнца, и движутся по эллиптическим орбитам. Причиной этого, как оказалось, является действие закона всемирного тяготения.

Следующий крупный прорыв в развитии космологии связан с открытия­ми английского астронома Уильяма Гершеля (1738-1822). В ходе своих наблю­дений он доказал, что законы механики Ньютона действуют и за пределами Солнечной системы. Он обнаружил, что двойные звёзды подчиняются тем же законам, что и планеты, вращающиеся вокруг Солнца. Проводя при помощи те­лескопа наблюдения звездного неба, Гершель открывает туманности. Он пред­положил, что они представляют собой огромные звёздные миры - своего рода островные Вселенные. Далее, он доказывал, что Млечный путь также является островной Вселенной. Впоследствии эти предположения Гершеля подтверди­лись и получили признание в науке.

Подлинный расцвет в теоретической космологии начинается с 1916 года, когда А.Эйнштейн (1879-1955) разрабатывает общую теорию относительности, и в её рамках выводит новое уравнение гравитационного поля. В то время Все­ленная считалась статической и поэтому в 1917 году А.Эйнштейн находит ре­шение уравнений, описывающее статическую модель Вселенной. Согласно этой модели Вселенная всегда была неподвижной, а расстояния между звёзда­ми и галактиками были постоянными. В том же 1917 году голландский физик В. де Ситтер (1872-1934) решает уравнения для модели расширяющейся Все­ленной, при этом ему пришлось допустить отсутствие во Вселенной вещества, что с физической точки зрения было нереальным. В 1922 году российский ме­теоролог Александр Фридман (1888-1925) находит решения для уравнений Эйнштейна, описывающие расширяющуюся Вселенную, заполненную вещест­вом. Всего этих решений было три, они соответствовали трём моделям разви­тия Вселенной. Во всех трёх моделях Вселенная возникала из начальной син­гулярности - точки, в которой вещество сжато до бесконечной плотности си­лами гравитации В первой «открытой» модели Вселенная беспредельно рас­ширяется с некоторой постоянной скоростью. Во второй, «плоской» модели Вселенная также расширяется, но скорость расширения постепенно уменьшает­ся до нуля. Третья, «замкнутая» модель описывает Вселенную, расширяющую­ся до некоторого предела, после которого неизбежно сжатие и возврат в со­стояние сингулярности.

Таким образом, были предложены различные варианты развития Вселен­ной, но они сводились к трём альтернативам: либо Вселенная статична, либо бесконечно расширяется, либо расширение должно смениться сжатием. Теоре­тики своё дело сделали. Слово теперь было за наблюдательной космологией, именно она на основе эмпирических фактов, на основе реальных наблюдений должна была решить, какой модели отдать предпочтение.