Космология ХХ века

Лекция 7

Первую научную гипотезу происхождения Вселенной предложил французский учёный Пьер Симон де Лаплас (1749–1827). Согласно ей изначально материя во Вселенной была распределена равномерно. Потом она пришла во вращательное движение и при этом в некоторых областях случайно образовались более плотные участки. Там частицы материи из-за сил гравитационного притяжения ещё больше сближались, образуя сгустки материи, и со временем они притягивали к себе всю окружающую пыль. Так образовались небесные тела и пустота между ними. Притягиваясь друг к другу, частицы материи сталкивались и при этом часть их энергии выделялась в виде тепла. В больших небесных телах такой энергии накапливалось много, и они разогревались до высоких температур, превращаясь в солнца.

Эта гипотеза могла претендовать на описательное объяснение существующего мироустройства. Однако она не была подкреплена математическими расчётами. Этого недостатка была лишена следующая теория, высказанная в 1915 году А. Эйнштейном и Давидом Гильбертом (1862–1943). Она называется «общая теория относительности», поскольку А. Эйнштейн, развивая её, хотел объяснить в одной теории устройство и космоса, и микромира. Подобно тому, как специальная теория относительности описывает движение тел с любыми скоростями (и большими, около световыми, и малыми).

Стартовой идеей общей теории относительности являлось предположение, что пространство вблизи массивных объектов (звёзд и планет) искривляется. Подобно тому, как прогибается натянутое полотно, если на него положить тяжёлые предметы. Такой кривизной пространства можно объяснить гравитационное притяжение небесных тел. Экспериментальное подтверждение этой гипотезы дал известный в астрономии парадокс, когда на Земле можно наблюдать далёкие звёзды в то время, как они закрыты Солнцем (находятся в его тени). Это объясняется тем, что идущий от этих звёзд свет искривляется в поле тяготения Солнца. Это связано с тем, что свет несет энергию, а поэтому обладает массой, согласно специальной теории относительности, и притягивается тяжелыми телами.

На этом основании общая теория относительности считает, что пространство Вселенной не является декартовым. То есть описывается не привычными нам прямоугольными координатами x, y и z, а более сложным образом. Его геометрия может быть подобной неевклидовой геометрии, разработанной Н.И. Лобачевским (1793–1856) в 1826–1831 годах. Признание неевклидовой геометрии произошло в трудах Э. Бельтрами (1868), Ф. Клейна (1871), А. Пуанкаре (1883). Однако и до этого ряд математиков (например, Георг Риман (1826–1866) и Уильям Клиффорд (1854–1879)) высказывали соображения о том, что гравитационные эффекты обусловлены кривизной пространства, а силу тяготения можно заменить таким его искривлением.

Конечная цель общей теории относительности – обойтись в физике без понятий «сила» и «поле», а все эффекты, для описания которых они используются, объяснять метрикой пространства.

Решение уравнений общей теории относительности приводит к необычному результату – наша Вселенная не может быть стационарной, её размеры или форма должны меняться со временем. Это было экспериментально доказано наблюдением так называемого «красного смещения» длин волн свечения в спектрах далёких звёзд. Указанные длины волн смещены в красную область в сравнении со спектром Солнца, что объясняется доплеровским эффектом, если эти звёзды удаляются от нашей галактики. Причём скорость «разбегания» выше у более удалённых звёзд.

Объяснение «расширяющейся Вселенной» и многих других фактов даётся в рамках наиболее признанной в настоящее время гипотезы – теории «Большого взрыва», предложенной Г.А. Гамовым. Разработка на протяжении ХХ века этой гипотезы позволила определить примерный возраст Вселенной, предположительно описать процессы, происходившие в разные моменты её развития, а также эволюцию звёзд, объяснить многообразие химических элементов в мире, наличие «чёрных дыр», «сверхновых» и т.д.

Дата добавления: 2014-12-07