Классические представления об эволюции Вселенной

Учебный год

Лекция 11

Эволюция Вселенной

Классические представления об эволюции Вселенной

Первое представление о Вселенной, сложившееся в XVIII в., было связано с механистической концепцией де­терминизма, в соответствии с которой все процессы в природе подчиняются жестким причинно-следственным закономерностям, исключающим появление нового качества. Движение в природе - это непрерывная сме­на состояний, которая происходила, проис­ходит и будет происходить вечно в соответ­ствии с законами классической механики. Ареной этих движений является бесконеч­ная Вселенная, свойства которой в среднем одинаковы во всех направлениях. Эти фун­даментальные атрибуты Вселенной - веч­ность, бесконечность, изотропность - как выяснилось впоследствии, тесно связаны с за­конами сохранения энергии, импульса и мо­мента импульса (теорема Нётер). Однако уже в XIX столетии стало ясно, что процессы во Вселенной развиваются не­обратимо и по сложным сценариям, которые никак не сводятся к обратимым движениям материальных точек по траекториям. В то время существовала единственная физи­ческая теория, описывающая необратимое поведение объектов природы - статистическая термоди­намика. Основные положения этой теории и были приме­нены У. Томсоном и Р. Клаузиусом к Вселенной как к замкнутой системе, в результате чего появилась концеп­ция «тепловой смерти» Вселенной. В соответствии с этим термодинамическим сценарием современное состояние Вселенной является результатом гигантской флуктуа­ции, спонтанным, самопроизвольным «прыжком» в упо­рядоченное состояние, после чего началась медленная ре­лаксация к хаотическому состоянию с максимальной эн­тропией, когда и вещество, и поле будут распределены в пространстве равномерно и прекратятся все процессы в природе. После этого возможны новые флуктуации, со­провождающиеся релаксацией к равновесию, и так до бес­конечности.

Однако еще Ньютон обращал внимание, что вещест­во не может быть распределено с постоянной средней плотностью в сколь угодно большом объеме. Вот как он сам писал по этому поводу: «Если бы все вещество наше­го Солнца и планет и все вещество Вселенной было рав­номерно рассеяно по всему небу и каждая частица обла­дала бы врожденным тяготением ко всему остальному и если бы все пространство, по которому рассеяно это ве­щество, было, тем не менее, конечным, то все вещество на наружной стороне этого пространства благодаря сво­ему тяготению стремилось бы ко всему веществу, нахо­дящемуся внутри пространства, и, как следствие, упало бы в середину полного пространства и образовало бы там одну большую сферическую массу. Однако если бы веще­ство было равномерно рассеяно по бесконечному про­странству, оно никогда не собралось бы в одну массу; часть его могла бы собраться в одну массу, а часть — в другую, так что образовалось бы бесконечное число больших масс, разбросанных на больших расстояниях друг от друга по всему этому бесконечному пространству. Так могли обра­зоваться Солнце и неподвижные звезды». Другими слова­ми, вследствие гравитационной неустойчивости веще­ство с неизбежностью должно либо сжиматься как целое, либо разбиться на отдельные сгустки. С гравитационной неустойчивостью вещества связаны и несколько знаме­нитых парадоксов, иллюстрирующих невозможность ста­ционарного равномерного распределения вещества в бес­конечном пространстве.

Например, гравитационный парадокс Зелигера-Неймана констатирует, что если бы материя была распреде­лена равномерно и изотропно в бесконечном пространст­ве, то один и тот же малый объем можно было бы рас­сматривать и как находящийся в «центре» Вселенной (тогда результирующая гравитационная сила, действую­щая на него, была бы равна нулю), и как смещенный из «центра» Вселенной (и тогда на него должна была бы дей­ствовать сила, тем большая, чем дальше от «центра» на­ходится рассматриваемый объем). Эта неоднозначность указывает на неверную посылку в условии парадокса: материя не может быть равномерно распределена в бес­конечном пространстве.

В другом парадоксе - парадоксе Ольберса - анализи­руется, какая должна быть светимость неба, если бы Все­ленная была бесконечной, а средняя плотность звезд по­стоянной.

Так как интенсивность света уменьшается обратно про­порционально квадрату расстояния от источника до на­блюдателя, а количество звезд увеличивается прямо про­порционально квадрату этого расстояния, то интенсив­ность света, пришедшего от звезд, находящихся на разных расстояниях от наблюдателя, должна быть одинаковой. Отсюда следует, что если Вселенная бесконечна, то небо должно казаться освещенным «ярче тысячи Солнц». А так как этого нет, то и посылка парадокса неверна: сред­няя плотность звезд не может быть постоянной в беско­нечной Вселенной. Рассмотренными парадоксами, конечно, не исчерпы­вается критика механистической и термодинамической картины мира. Можно констатировать, что к началу XX в. неудовлетворительность существующих космологических концепций стала очевидной.