Теория нестационарного состояния вселенной

Как устроена Вселенная. Часть I.

Невозможно представить, насколько ниже в
своем развитии оказалось бы человечество,
если бы оно никогда не видело звездного неба.
Анри Пуанкаре.

Нестационарная Вселенная Фридмана.

Идея о том, что рождение Вселенной началось с взрыва, была высказана российским ученым Александром Фридманом. В 1922 году журнал «Zeitschrift fur Physik» опубликовал статью «О кривизне пространства», автором которой оказался петербургский математик Фридман- имя это мало что говорило физикам-теоретикам Запада.

Хотя Александр Александрович Фридман к началу 20-х годов вовсе не был безвестным начинающим ученым. Просто он ранее никогда не занимался теоретической физикой, поскольку являлся крупным специалистом по теоретической метеорологии, динамике атмосферы и весьма известным математиком.

Он отличался невероятной дотошностью, умением глубоко проникать в суть изучаемого предмета, влезать в его тонкости. Не случайно, когда Фридман заинтересовался теорией относительности, его друзья заявили: «Теперь мы будем, наконец, знать теорию относительности».

Несмотря на неизвестность автора в кругу физиков-теоретиков, статья сразу же обратила на себя внимание. И не удивительно. В скромном по объему сообщении утверждалось, что кривизна нашего пространства должна изменяться, и стационарная Вселенная, которую отстаивал Эйнштейн, невозможна

Давайте вспомним. Вселенная Ньютона была бесконечной и населенной бесконечным количеством звезд. Такой подход Ньютона понятен; если бы число звезд было конечным, то, по расчетам, сила взаимного притяжения стянула бы их воедино в гигантский звездный клубок.

В модели Вселенной Ньютона есть два парадокса, необъяснимых с точки зрения его теории. Судите сами: если число звезд бесконечно, то они должны создавать яркую и равномерную освещенность неба. А этого на самом деле нет.

Кроме того, в бесконечной Вселенной само тяготение должно возрастать бесконечно, и это должно вызвать огромные скорости движения звезд. А на опыте ничего подобного не наблюдалось.

Ньютон обнаружил эти несоответствия в своей модели, но решил эту проблему достаточно просто, придя к выводу, что Бог всегда присутствует во Вселенной и исправляет эти несообразности [1].

Пытаясь понять, что представляет собой Вселенная, Эйнштейн столкнулся с теми же трудностями, которые рождает бесконечность. В своей работе «Вопросы космологии и общая теория относительности» он пишет: «Мне не удалось установить граничные условия для пространственной бесконечности… Если бы можно было рассматривать мир в его пространственной протяженности как замкнутый, то подобного рода граничные условия были бы вообще не нужны» [2].

Натолкнувшись на идею конечной Вселенной, Эйнштейн все свои силы сосредоточил на поиски доказательств правильности – или хотя бы возможности — ее существования.

Чтобы избавиться от пороков бесконечности, Эйнштейн заменил бесконечную «плоскую» ньютонову Вселенную конечной. Конечное пространство по необходимости должно быть замкнутым и искривленным, подобно тому, как обязательно искривлена любая замкнутая поверхность.

Далее Эйнштейн предположил, что средняя плотность материи во Вселенной постоянна и настолько велика, что обеспечивает положительную кривизну. Надо сказать, что только при положительной кривизне пространство замкнуто и конечно.

Исходя из факта малых звездных скоростей, Эйнштейн предположил, что Вселенная должна быть стационарной, что ее структура и кривизна не должны меняться со временем.

Однако из его теории вытекала новая проблема: под действием гравитационных сил замкнутая Вселенная должна сжиматься. Получалось, что, избавляясь от неприятностей, связанных с бесконечностью Вселенной, Эйнштейн наткнулся на неприятности, вызванные именно конечностью, замкнутостью нашего мира.

Чтобы выйти из трудного положения, и сохранить стационарность Вселенной, Эйнштейн был вынужден ввести в свои уравнения поля тяготения так называемый космологический член. Иными словами, он ввел новую «антигравитационную силу», которая удерживает звезды на расстоянии друг от друга и препятствует стягиванию Вселенной. Поддерживает стационарность Вселенной.

«Не от хорошей жизни» ввел он эту постоянную. «Для того, чтобы придти к этому свободному от противоречий представлению, мы должны были все же ввести новое расширение уравнений поля тяготения, не оправдываемое нашими действительными знаниями о тяготении» [2].

Ему была необходимо стационарность Вселенной. Поэтому он утверждал, что пространство-время само по себе всегда расширяется и этим расширением уравновешивается притяжение всей остальной материи во Вселенной, так что в результате Вселенная оказывается статической.

Вселенная.

С большим трудом, преодолевая огромные препятствия, Эйнштейн, наконец, построил модель мира, которая достаточно хорошо отражала мир реальный. Во всяком случае, в известных тогда науке границах.

И вот теперь какой-то Фридман заявляет, что Вселенная нестационарна.

А что, собственно, сделал Фридман?

Оказывается, он нашел общее решение системы уравнений тяготения, и пришел к выводу: Вселенная нестационарна, ее кривизна меняется. Решение Эйнштейна является лишь частным случаем.
Решение Фридмана открывало две возможности: монотонное в одном направлении, например, непрерывное расширения, или периодическое возрастание и уменьшение кривизны. Во втором случае Вселенная, словно сердце, должна была то расширяться, то сжиматься.

Прочитав статью Фридмана, Эйнштейн тот час же отреагировал на нее, написав ответ под названием «Замечания к работе А. Фридмана». Он писал: «Результаты относительно нестационарного мира , содержащиеся в упомянутой работе, представляются мне подозрительными».

Фридман устоял перед силой авторитета. Он заново произвел все вычисления, причем решил систему уравнений без всяких упрощений и дополнительных космологических членов, и попросил своего товарища, физика Краткова, ехавшего в Берлин, передать их Эйнштейну.

Спустя несколько месяцев в том же журнале появилась еще одна маленькая заметка. Вот она целиком. «К работе А. Фридмана “О кривизне пространства”. В предыдущей заметке я подверг критике названную выше работу. Однако, моя критика, как я убедился из письма Фридмана, сообщенного мне господином Крутковым, основывалась на ошибке в вычислениях. Я считаю результаты г. Фридмана правильными, и проливающими новый свет. Оказывается , что уравнения поля допускают наряду со статическими также и динамические (т.е. переменные относительно времени) центрально-симметричные решения для структуры пространства» [3].

Эйнштейн не был бы Эйнштейном, не появись этого публичного признания своей неправоты.

Но вернемся к нестационарной Вселенной Фридмана. В своих исследованиях Фридман сделал исходное предположение: Вселенная одинакова во всех направлениях и остается таковой, откуда бы мы ее ни рассматривали. Долгое время считалось, что предположение об одинаковости Вселенной является грубым приближением к реальной Вселенной. В модели Фридмана все галактики удаляются друг от друга. Это вроде бы как надутый шарик, на который нанесены точки, и если его все больше надувать, расстояние между точками увеличивается. При этом ни одну из точек нельзя назвать центром расширения.

Словом, Фридман в 1922 году доказал, что Вселенная не должна быть статической. Это произошло за несколько лет до открытия Хаббла.

В 1924 году американский астроном Эдвин Хаббл показал, что наша Галактика не является единственной. Существует много галактик, разделенных огромными областями пустого пространства. Если бы наблюдатель увидел нашу Галактику извне, то он обнаружил бы, что она имеет вид спирали и медленно вращается. Звезды в ее спиральных рукавах делают примерно один оборот вокруг ее центра каждые несколько сотен миллионов лет. Наше Солнце представляет собой обычную желтую звезду средней величины, расположенную на внутренней стороне одного из спиральных рукавов.

Продолжив свои исследования, в 1929 году Хаббл, фотографируя спектры далеких галактик, получил неопровержимые доказательства того, что Вселенная расширяется. Это открытие Хаббла явилось триумфом Фридмана, до которого Фридман не дожил, скончавшись от холеры в 1925 году в возрасте 36 лет.

Сегодня известно, что Вселенная расширяется за каждую тысячу миллионов лет на 5-10%. Все галактики удаляются от нас, причем, чем дальше находится галактика, тем быстрее она удаляется.

Открытие расширяющейся Вселенной было одним из великих интеллектуальные переворотов двадцатого века.

Лауреат Нобелевской премии физик-теоретик Стивен Хокинг пишет: «Имеющиеся данные говорят о том, что Вселенная, вероятно, будет расширяться вечно. Единственное, в чем можно быть совершенно уверенным, так это в том, что если сжатие Вселенной все-таки произойдет, то никак не раньше, чем через десять миллионов лет, ибо, по крайней мере, столько времени она уже расширяется. Но это не должно нас тревожить: к тому времени, если мы не переселимся за пределы Солнечной системы, человечества давно уже не будет — оно угаснет вместе с Солнцем» [4].

В соответствии с теорией Фридмана, которая дает удивительно точное описание нашей Вселенной, пространство-время, наполненное чрезвычайно плотной материей, появилось в результате чудовищного взрыва из точки и начало неудержимо расширяться.

1. Тихоплав В.Ю., Тихоплав Т.С. «Научно-эзотерические основы Мироздания». лекция № 11
2.Эйнштейн А. Сборник научных трудов. Т.I-IV.: Наука, 1966.
3. Ливанова А.Три судьбы постижения мира М.: Знание, 1969.
4.Хокинг С. Краткая история времени. СПб.: Амфора, 2005.

Источник

Теория нестационарной Вселенной

Работа выполнена в рамках Всероссийского конкурса «Достижения России в науке и технике в XX — XXI веках». В работе рассказывается о вкладе русского математика и геофизика Александра Александровича в развитие теории нестационарной Вселенной. Работа признана победителем конкурса.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Подписи к слайдам:

А. А. Фридман. Теория нестационарной Вселенной. Выполнила: Ученица 11 класса МБОУ СОШ № 135, Шамсутдинова Диляра .

Невозможно представить, насколько ниже в своём развитии оказалось бы человечество, если бы оно никогда не видело звёздного неба. Анри Пуанкаре (французский математик, физик, астроном и философ). .

Если бы открыл звезду я, Я ее назвал бы «Фридман». Фридман ! До сих пор он житель ишь немногих книжных полок — Математики любитель, Молодой метеоролог И военный авиатор На германском фронте где-то. Факт , что кое в чем пошел он Дальше самого Эйнштейна: Чуя форм непостоянство В этом мире-урагане, Видел в кривизне пространства Он Галактик разбеганье . Расширение Вселенной? В этом надо разобраться. Этот Фридман был ученым С будущим весьма завидным. О , блесни над небосклоном Новою звездою, Фридман ! Леонид Мартынов

ФРИДМАН Александр Александрович (1888-1925) Русский и советский математик и геофизик А.А. Фридман родился 16 (28) июня 1888 года в Санкт-Петербурге в музыкальной семье. В 1906 году Александр Фридман окончил с золотой медалью 2-ю Санкт-Петербургскую гимназию и поступил на математическое отделение физико-математического факультета Петербургского университета. Его учителем, надежной защитой и опорой стал блестящий математик Владимир Андреевич Стеклов, имя которого носит сейчас Математический институт Академии наук. А весной 1913 года, после сдачи магистерских экзаменов, он поступил на работу в Аэрологическую обсерваторию Российской Академии наук в Павловске под Петербургом и стал заниматься изучением способов наблюдения атмосферы, динамической метеорологией. Кроме синоптики и динамической метеорологии, ему пришлось ознакомиться с теорией земного магнетизма. С началом Первой мировой войны Фридман вступил добровольцем в авиационный отряд. Фридман многократно участвовал в качестве лётчика-наблюдателя в боевых полётах, в разведывательных операциях. В 1920 году в Петрограде он начал работать в Главной физической обсерватории (с 1924 года — Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова ), одновременно преподавал в различных учебных заведениях Петрограда. В 1923 году А.А. Фридман был назначен главным редактором «Журнала геофизики и метеорологии». В этом же году он вторично женился на Н. Е. Малининой ,докторе физико-математических наук. Умер ученый в Ленинграде от брюшного тифа 16 сентября 1925 года и п охоронен на Смоленском православном кладбище. Его единственный сын А.А. Фридман родился уже после смерти отца. А поэтическое пожелание Леонида Мартынова сбылось лишь отчасти: если и не звезда, то один из объектов на Луне назван именем Александра Фридмана.

Владимир Андреевич Стеклов Александр Александрович Фридман

Известные и примечательные работы Александра Фридмана. 1906 – Первая математическая работа в одном из ведущих научных журналов Германии «Математические анналы» (» Mathematische Annalen «); «Исследование неопределенных уравнений второй степени» (в 1909 году была удостоена золотой медали. ); 1913 — Работа «О распределении температуры воздуха с высотою», напечатанная в «Географическом сборнике» ; 1922 — «Опыт гидромеханики сжимаемой жидкости», ставший основным трудом Фридмана по гидромеханике; 1922 – статья «О кривизне пространства», опубликованная в нем. ж урнале » Zeitschrift fur Physik » 1923 -книга «Мир как пространство и время» (переиздана в 1965), познакомившая широкую публику с новой физикой.

Основными уравнениями общей теории относительности являются «мировые уравнения» Эйнштейна, которые описывают геометрические свойства, или метрику, четырехмерного искривленного пространства — времени. Решение их позволяет в принципе построить математическую модель Вселенной. Первую такую попытку предпринял сам Эйнштейн. Считая радиус кривизны пространства постоянным (т. е. исходя из предположения о стационарности Вселенной в целом, что представлялось наиболее разумным), он пришел к выводу, что Вселенная должна быть пространственно конечной и иметь форму четырехмерного цилиндра. В 1922—1924 гг. Фридман, будучи всерьез заинтересовавшимся теорией относительности, выступил с критикой выводов Эйнштейна. Он показал необоснованность его исходного постулата — о стационарности, неизменности во времени Вселенной. Проанализировав мировые уравнения, Фридман пришел к заключению, что их решение ни при каких условиях не может быть однозначным и не может дать ответа на вопрос о форме Вселенной, ее конечности или бесконечности. Конечна или бесконечна?

Исходя из противоположного постулата — о возможном изменении радиуса кривизны мирового пространства во времени, Фридман нашел нестационарные решения «мировых уравнений». В качестве примера таких решений он построил три возможные модели Вселенной.

В двух из них радиус кривизны пространства монотонно растет , и Вселенная расширяется (в одной модели — из точки, в другой — начиная с некоторого конечного объема). Третья модель рисовала картину пульсирующей Вселенной с периодически меняющимся радиусом кривизны . Модель Фридмана предполагает возможность как закрытой (сужающейся вселенной), плоской и открытой (расширяющейся вселенной) подмоделей, а в приделе позволяет говорить о пульсирующей Вселенной (как изменении коэффициента, соответствующему космологической постоянной Эйнштейна, с течением жизни Вселенной).

Две первые модели Вселенной Фридмана уже вскоре нашли удивительно точное подтверждение в непосредственных наблюдениях движений далеких галактик — в так называемом эффекте «красного смещения» в их спектрах. Он свидетельствует о взаимном удалении всех достаточно далеких друг от друга галактик и их скоплений.

Если обратить картину во времени, то это приводит к заключению о существовании «начала» обнаруженного общего расширения пространства Вселенной! Такие выводы и были сделаны уже в конце 20-х годов бельгийским астрономом аббатом Ж. Леметром (о расширении Вселенной из точки, из «атома-отца») и А. Эддингтоном (предположившим, что расширение началось от состояния плотного сгустка конечных размеров). Все это ломало привычные, тысячелетиями складывавшиеся представления, прежде всего о «вечности» Вселенной, поскольку она отождествлялась со «всей существующей материей».

Таким образом, Александру Фридману удалось развить теорию возникновения Вселенной. Вселенная Фридмана по сравнению со Вселенной Эйнштейна эволюционирует так же, как и все в ней существующее. Теперь мы лучше понимаем процесс возникновения Вселенной. Но поймем ли мы это когда-нибудь до конца?

Источник