История

Введение

Рассказывая лекции общего курса астрономии, сегодня мы утверждаем, что планеты вращаются вокруг солнца. Солнце в свою очередь вращается вокруг центра нашей Галактики. Но попытаясь объяснить то же самое человеку, живущему тысячелетия назад, он скажет: «Это полная ерунда. Мир –плоская тарелка на спине гигантской черепахи. Она в свою очередь стоит на другой черепахе, а та на следующей и так далее». 

  Описать нашу вселенную как тарелку, стоящую на бесконечной башне из черепах весьма абсурдно. Но почему же мы так уверены, что наши теории лучше? Что нам известно об необъятной Вселенной? Было ли у Вселенной начало? А если это самое начало было, то что же было до него? Откуда взялось время? Закончится ли время когда-нибудь? Ответить на часть этих вопросов так или иначе может современная физика. Когда-то в будущем, возможно, мы будем считать нынешние познания о нашем мире такими же глупыми как башню из черепах. Или наоборот – простыми и логичными, как тот факт, что планеты обращаются вокруг солнца. 

историческая картина Вселенной

Аристотель, примерно в 340 году до нашей эры написал тракт «о небе». В нем Аристотель выдвинул два довольно серьезных доказательства того, что Земля имеет форму шара, а не диска, как тарелка. Во-первых, он понял: лунные затмения возникают, когда земля проходит между солнцем и луной. Также он заметил, что тень Земли, отбрасываемая на лунную поверхность, всегда имеет круглую форму, а такое возможно только если Земля имеет форму сферы: имея форму диска, Земля должна была бы отбрасывать эллиптическую тень, круглой тень от диска могла бы быть только если солнце во время затмения располагалось бы ровно под центром диска. Во-вторых, греки из своих походов знали: полярная звезда на юге расположена к горизонту ближе чем на севере. Исходя из этого, Аристотель смог оценить окружность Земли, ошибившись примерно в два раза. Третьим аргументом греков, в пользу шарообразности Земли, было то, что: при приближении корабля сначала появляется его мачта, затем уже корпус.

  Аристотель считал землю неподвижной и предполагал, что звезды, планеты, Луна и Солнце вращаются по круговым орбитам вокруг Земли. Его предположения вытекали из верования в «идеальную Вселенную», в которой Земля располагалась в ее центре и все орбиты круговые, так как круг наиболее совершенен. На основе идей Аристотеля, Птолемей во втором веке нашей эры, создал свою космологическую модель. В центре модели Птолемея находилась Земля, окруженная восемью сферами. (см. рис. 1)

На этих сферах располагались Луна, Звезды, Солнце и пять планет, известные на тот момент: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн.

Каждая планета двигалась по малому кругу, для описания сложных траекторий. На внешней сфере располагались неподвижные звезды. Что находилось за сферой звезд было не ясно, но в то время наблюдательная способность и не позволяла предполагать, что там еще что-то есть.

  Модель Птолемея хорошо предсказывала положения объектов на небе. Но было важное упущение: для согласования наблюдений и предсказаний, Птолемею пришлось допустить, что расстояние от Луны до земли периодически меняется почти в два раза. Это значило, что видимый размер Луны должен был быть, порой, в два раза больше (или меньше) привычного.

Птолемей недостаток собственной теории понимал, тем не менее это не помешало ей стать общепринятой. К тому же, Птолемеевский взгляд на мир одобрила церковь: в теории Птолемее хватало места на рай и ад за пределами последней сферы. В 1514г польский священник Николай Коперник предложил более простую модель (см.рис.2), в которой предположил, что солнце расположено в центре и уже вокруг него вращаются планеты.

Почти сто лет эту идею никто не воспринимал всерьез. Первыми кто поддержали Коперника стали Иоганн Кеплер и Галилео Галилей, поддерживали они эту идею даже не смотря на то что предсказания такой теории не совсем точно предсказывали положение тел. Последним − смертельным ударом, по теории Птолемея стало то, что в 1609г. Галилей начал наблюдать ночное небо через телескоп. Наблюдая за Юпитером, Галилей обнаружил несколько спутников, а это значило, что не все тела во вселенной обращаются вокруг Земли.

  Кеплер примерно в те же года, усовершенствовал теорию Коперника, сказав, что планеты двигаются не по круговым, а по эллиптическим орбитам. Опираясь на уточнение Кеплера, можно было весьма точно сопоставить теорию с реальными наблюдениями. (приложение1). Через примерно 80 лет Ньютон в своих «математических началах натуральной философии» − важнейшему труду в истории математики и физики, описал причину движения планет вокруг Солнца. Ньютон не только создал крайне точную теорию, но и создал к ней точнейший и сложнейший математический аппарат, продвинув математику и физику в будущее. Описал он гравитационные взаимодействия своим законом всемирного тяготения.

  После отказа от теории Птолемея, не было больше ограничения последней сферой (сферой звезд), а значит, можно было предполагать, что такие звезды, как наше Солнце есть и где-то там далеко. Согласно теории тяготения Ньютона, звезды должны были бы притягивать друг друга и скапливаться в одном месте. Сам Ньютон объяснил отсутствие такого в реальности так: звезды будут сближаться только, если во вселенной есть места, в которых количество звезд неоднородно. Только тогда звезды будут взаимодействовать и притягивать друг друга в такие места (или место). (приложение 2). Ньютоновские рассуждения были не верны.

  до двадцатого века никому в голову не приходила идея о том, что Вселенная может сжаться или расширяться. Раньше верили во вселенную существующую в таком неизменном виде очень давно т.е. в стационарную Вселенную. Ученые понимали абсурдность этой идеи, опираясь даже на Ньютоновскую картину мира, тем не менее никто не осмеливался предположить, что она расширяется. Ученые пытались спасти существующую картину мира модернизируя теорию Ньютона (приложение 3). Генрих Ольберс одним из первых, чьи возмущения по поводу статичности Вселенной стали популярны, предложил отказаться от этой идеи опираясь на следующие размышления: в бесконечной статичной Вселенной, куда бы мы не посмотрели на небо, наш взгляд должен был бы упираться в звезду, а значит небо должно было бы светиться не тусклее солнца. Парировать утверждение Ольберса можно было сказав, что свет далеких звезд должен был бы осаливаться со временем из-за поглощения веществом. Но, тогда вещество бы со временем нагрелось и светилось не менее ярко звезд. Ускользнуть от такого вывода можно было предположив, что звезды появились в некий момент в прошлом.

   Люди обсуждали происхождение Вселенной очень давно. Во многих версиях (христианских, буддистских и др.), Вселенная появилась довольно недавно. Это кое-как объясняло существование и появление Вселенной.

(приложение 4). Другая версия была предложена Блаженным Августином. Он верил, что мы помним те или иные события, или кто совершил то или иное действие, а значит человек, как и Вселенная, существуют не так и долго. Августин считал, что Вселенная была сотворена за 5000 лет до рождения Христа. Аристотелю и многим другим философам не нравилась идея божественного вмешательства. Они считали, что человек и Вселенная существовали всегда. А противоречия объясняли тем, что из-за действия катаклизмов человек периодически откатывается назад в развитии.

  Вопрос о начале Вселенной поднимал и Иммануил Кант в своей «критике чистого разума». Иммануил Кант, считал, что есть убедительные поводы и в пользу того, что Вселенная имела начало − и в то, что не имела. Если у Вселенной не было начала, то любому событию должно было предшествовать бесконечное время, что абсурдно. В то же время: если Вселенная имела начало, то что было до него? и почему она возникла конкретно в тот момент?

  Как видно, эволюция теорий о нашей Вселенной подобна Дарвиновской: наиболее приспособленная теория выживает, и модернизируется. Плохие же теории откидываются. Хорошая теория – это такая теория, что она способна описывать накопленные данные и делать четкие предсказания.

Наша картина Вселенной

В 1929 году Эдвин Хаббл сделал удивительное открытие: он обратил внимание на то, что далекие галактики всегда удаляются от нас с большими скоростями (пропорциональными расстоянию до них). То есть – Вселенная расширяется. Это в свою очередь значит, что когда-то в прошлом, все находилось очень близко друг к другу, в точке с бесконечной плотность и искривлением пространства-времени – в сингулярности. В некий момент в прошлом (в момент Большого Взрыва) Вселенная была сжата в точку. Законы физики в таком месте (в сингулярности) не работают. Можно сказать, что в момент большого взрыва родилось само время т.к. зафиксировать время до расширения Вселенной просто невозможно. 

Сейчас для описания Вселенной используют две основные частные теории - общую теорию относительности и квантовую механику. Это два лучших интеллектуальных достижения первой половины

двадцатого века. Общая теория относительности описывает силу тяготения и крупномасштабную структуру Вселенной, то есть ее строение на масштабах от нескольких километров до размера наблюдаемой Вселенной. Квантовая механика имеет дело с явлениями на крайне малых масштабах, такими как миллионная часть миллионной доли сантиметра. К сожалению квантовая механика и теория относительности несовместимы. Любая попытка объединить их, и по сей день остается четной. Сегодня одним из главных направлений в физике является теория квантовой гравитации – теория способная объединить теорию относительности и квантовую механику.

  Уже имеющихся частных теорий достаточно для точных предсказаний во всех ситуациях, кроме самых экстремальных, а значит поиск всеобщей теории Вселенной трудно оправдать чисто практическими соображениями. (хотя аналогичные доводы можно было привести в отношении и теории относительности и квантовой механики, а ведь благодаря этим теориям мы овладели ядерной энергией и совершили революцию в микроэлектронике) Так что от построения полной единой теории особого проку для нашего выживания как вида может и не быть, да и на нашем образе жизни это может никак не сказаться. Но ведь всегда человек стремился описать все вокруг себя, и не мирился с картиной мира, не логичной и противоречивой. Желание построить точную теорию, описывающую все во Вселенной – фундаментальное стремление человека к знаниям. Стремление это является более чем достаточным основанием для продолжения поисков.

Приложения

1. Сам Кеплер, к слову использовал эллипсы лишь как математический трюк. Сам он считал, что движения планет вокруг солнца как-то вязаны с магнитными силами.

2. Правильным подходом к решению этой задачи является добавление теоретических звезд, и изучение их влияние друг на друга. И сколько звезд не добавляй, они все равно будут сливаться и падать друг на друга. Так что получить Вселенную, в которой гравитация — это лишь притяжение невозможно.

3. Модернизация заключалась в том, что ученые пытались предположить, что на крайне больших расстояниях, гравитация заменяется на отталкивание. Но такая идея была бы крайне нестабильной, малейшее изменение в расстоянии, и звезды начнут притягиваться.

6.    В пределах Вселенной любое происходящее в ней событие объясняется как следствие другого события, значит существование Вселенной можно объяснить таким же образом, лишь предположим, что и она имела некое начало.

❝ Оптимист думает, что это лучший из существующих миров. Пессимист боится, что это правда. ❞