В чем заключается космологический принцип. Современная космология: ненавязчивое введение. Уравнение Фридмана: классический намек
В статье «Космологическое обсуждение общей теории относительности», опубликованной в 1917 г., Эйнштейн постулировал, что ни одна из усредненных характеристик космической среды не выделяет преимущественного положения или преимущественного направления в пространстве. Эйнштейн назвал эту гипотезу космологическим принципом.
В космологическом принципе нашли свое отражение воззрения на Вселенную, которых придерживались Ньютон и Гюйгенс, а еще ранее - Джордано Бруно, Лукреций и древнегреческие атомисты в V в. до н. э. Эйнштейн понял, что этот принцип позволяет разрешить проблему, поставленную Махом, т. е. показать, что распределение массы во Вселенной и ее движение определяют локально инерциальные системы отсчета. В теории гравитации Эйнштейна структура пространства-времени и распределение энергии (массы) и импульса взаимозависимы, однако эта теория не утверждает, что распределение энергии и импульса определяет структуру пространства-времени. Рассмотрим, например, Вселенную, которая представляет собой точечную массу. Как известно, траектория пробной частицы, движущейся вокруг точечной массы, представляет собой медленно вращающийся (кеплеровский) эллипс. Но вращающийся относительно чего? Теория Эйнштейна отвечает на этот вопрос точно так же, как теория Ньютона, а именно: она утверждает, что изолированная точечная масса сама по себе не позволяет определить невращающуюся систему отсчета. Однако если распределение энергии и импульса удовлетворяет космологическому принципу, то открывается возможность дать строгое определение понятию «покоящаяся система отсчета» и указать, как такую систему отсчета выбрать. С точки зрения применения этот локальный стандарт покоя неотличим от абсолютного пространства Ньютона.
Космологи расходятся во мнениях относительно значения космологического принципа. Одни считают его лишь приближенным методом описания Вселенной, другие рассматривают как непреложный закон. Это различие во мнениях отражает более фундаментальные разногласия, касающиеся взаимосвязи космологии и физики. В физике имеется четкое различие между законами, которые выявляют устойчивые, математические закономерности, лежащие в основе природных явлений, и начальными условиями, которые отражают случайные, зависящие от обстоятельств аспекты природных явлений. Почти эллиптическая форма планетных орбит - неотъемлемая особенность строения Солнечной системы, поскольку такая форма орбит однозначно следует из закона всемирного тяготения Ньютона. Эксцентриситеты и наклонения орбит - случайные элементы. Закономерности в таких случайных элементах (орбиты планет по форме близки к окружностям и лежат почти в одной плоскости), по-видимому, обусловлены эволюционными процессами, которые не относятся к начальным условиям. Подобным образом некоторые космологи утверждают, что крупномасштабную однородность и изотропию наблюдаемой части Вселенной также следует объяснять особенностями эволюции, а не начальными условиями.
На это можно возразить, что условия, определяющие свойства Вселенной как целого, качественно отличаются от условий, которые обусловливают свойства обычных астрономических систем. Обстоятельства, под влиянием которых сформировались свойства отдельных звезд, несомненно, случайны. Мы не спрашиваем, например, почему масса Солнца равна 1,991×10 33 г, а не 1,992 x10 33 г. Статистические свойства звездной популяции, к которой относится Солнце, могут быть менее случайными.
Естественно предположить, что Вселенная в целом характеризуется определенной совокупностью статистических свойств, часть которых предсказуема по крайней мере в принципе, а остальные следует принимать за аксиомы, как и сами законы. Одной из таких аксиом считается космологический принцип, предполагающий, что сама Вселенная должна обладать той же пространственной симметрией, что и законы, которые описывают ее строение и эволюцию. По общему мнению, это слишком смелое допущение, но альтернативная гипотеза кажется не только спорной, но и невразумительной. Если рассматривать космологический принцип как приближенное описание доступной наблюдению части Вселенной, то что можно сказать о Вселенной в целом? Отказаться вообще делать какие-либо предположения - это значит отказаться от попыток интерпретировать результаты космологических наблюдений или понять связь между локально инерциальными системами отсчета и удаленным веществом. Предположить, что космологический принцип применим, но лишь как приближение к реальности, - значит предположить, что существуют преимущественные точки и направления. Подобное утверждение было бы еще более сильным допущением, чем космологический принцип, причем таким, которое не имеет никаких доказательств.
И наконец, в отличие от теории Ньютона теория гравитации Эйнштейна не есть только теория гравитационного взаимодействия. Это также теория пространства-времени, а следовательно, и Вселенной в целом.
Клавдий Птоломей ещё до н.э.создал математическую теорию устройства мироздания,в центр которой он поставил Землю,а точнее-человека.В век Птоломея все планеты были обязаны описывать вокруг Земли причудливые петли и завитки.И это была не причуда Птоломея,такое устройство мироздания следовало из многовековых наблюдений человека за небесными светилами.
Галилео Галилей засомневался в таком устройстве мироздания.Галилей стал догадываться,что вращается Земля и нам кажется,что планеты вращаются вокруг Земли.
Николай Коперник преподнёс нам поучительный урок,согласно которому мы не должны,не имея на то оснований,предполагать,что занимаем привилегированное центральное положение во Вселенной.Этот принцип Коперника,по мнению современных философов,приводит к "совершенному космологическому принципу",лежащему в основе стационарной,вечной и бесконечной Вселенной .
Джордано Бруно утверждал:Итак,Вселенная едина,бесконечна,неподвижна...Она не рождается...Она не уничтожается...Она не может уменьшаться или увеличиваться....
Но в начале прошлого века "совершенный космологический принцип"был поставлен под сомнение.В 1929 г.Эдвин Хаббл обнаружил удивительный эффект.Спектры удалённых светил были смещены в сторону низких частот и чем дальше галактика,тем больше красное смещение спектров.Весь спектр источника излучения может сместится в красную сторону при движении источника от наблюдателя.Значит,это-эффект Допплера.Значит,галактики разбегаются от нас.Значит,мы в центре разбегания галактик.Мы снова занимаем центральное положение во Вселенной.Звучит,конечно,лестно..А если "кино крутить обратно",то всё мироздание будет сжато в точку,размером с кулак.А затем случился Большой Взрыв и Вселенная стала расширяться.Но посвящённые в теорию БВ объяснили нам,что разбегаются не галактики,а расширяется пространство с галактиками.Не очень убедительно,но непосвящённые поверили.Но галактики тоже занимают пространство,значит галактики тоже расширяются.Звёзды в галактиках тоже расширяются.Атомы тоже...Всё расширяется.Красного смещения не должно быть.Меняется только масштаб.Красное смещение есть.
Если есть начало,значит есть край Вселенной.Наблюдатель из края Вселенной нас видит также,как мы его.Это следует из принципа эквивалентности (симметричности) эффекта Допплера.Что,мы тоже находимся на окраине Вселенной?Неет,лучше быть в центре,чем на краю...
Масла в огонь Большого Взрыва добавили астрофизики,обнаружив светила с аномальными красными смещениями.Следуя закону Хаббла,квазары с наибольшими красными смещениями находятся на расстоянии 15 миллиардов световых лет.С таких расстояний мы не должны их видеть.Мы их видим.Значит,квазары имеют фантастическую светимость.Кроме того,свет от квазаров,который мы видим,был испущен 15 миллиардов лет назад и за это время квазары пробили край Вселенной и удалились со сверхсветовыми скоростями ещё на 15 миллиардов световых лет.Куда удалились?Видимо,в никуда или превратились в сверхчёные дыры,а может в антиквазары.
Но знатоки Большого Взрыва не унимаются.Вселенная сотворена,расширяется и точка.Правда,возникла не в одном месте,а во многих местах.И возникла не одновременно,а возникает до сих пор и расширяется с ускорением.А чтобы с ускорением,требуется тёмная энергия...
А может красное смещение не есть эффект Допплера? Посмотрите "Смоделировать Вселенную" и "Сейсмическая томография и красное смещение спектров".
Велик был в своём прозрении Джордано Бруно,утверждая,что Вселенная бесконечна,она не рождается и не уничтожается,она не может уменьшаться или увеличиваться.
Литература.
1.Картер Б.Совпадение больших чисел и антропологический принцип в космологии.Космология.Теории и наблюдения.Мир,М.,1978.
2.Бруно Дж.Диалоги.Госполитиздат,М.,1949.
Рецензии
Мне показалось, что есть весьма вольные трактовки известного материала. Приведу примеры.
"Следуя закону Хаббла,квазары с наибольшими красными смещениями находятся на расстоянии 15 миллиардов световых лет." Таких красных смещений никто никогда не наблюдал. Путаница связана с трактовкой понятия "расстояние" в космологии. Не вдаваясь в подробности, советую посмотреть статью по этому вопросу, написанную профессионалом, тут: http://www.astronet.ru/db/msg/1307314
"всё мироздание будет сжато в точку,размером с кулак." Этого тоже никто всерез не утверждает. Гипотезы - да, есть такие, но вовсе не теории. Каков механизм БВ - неизвестно.
"Велик был в своём прозрении Джордано Бруно,утверждая,что Вселенная бесконечна,она не рождается и не уничтожается,она не может уменьшаться или увеличиваться." А какие ФАКТЫ говорят в пользу Вашего (и Бруно) утверждения? А вот обратных фактов полным-полно. Приведу лишь некоторые из них:
1. Стационарная вселенная невозможна в силу запрета, налагаемого вторым началом термодинамики. Пока не обнаружено ни одного явления, которое указывало бы на возможнность обойтии этот запрет, и вечнный двигатель второго рода как-то не просматривается.
2. Парадокс Ольберса: в бесконечной (стационарной)вселенной яркость ночного неба была бы сопоставима с яркостью повеерхнности Солнца
3. Гравитационная устойчивость вселенной невозможна ни с точки зрения мееханики Ньютона, ни с позиций ОТО.
4. Теория БВ неплохо справляется с проблемой нуклеосинтеза: соотношение количества водорода и гелия, предсказанное в свое время Гамовым, соответствует наблюдениям. Теория стационарной вселенной вообще не дает подхода для решения этой проблемы. Более того, в "вечной" вселенной не должно быть элеементов кроме железа - все прочее должно "выгореть" в топкх звезд.
5. наличие рееликтового излучения, его спектральный состав, вариации интенсивности и состава соответствуют теории БВ.
6. Явные признаки эволюции мира: галактическое население областей с высоким красным смещениием отличается по составу от нашего ближнего окружения, причем радиальная симметрия очевидна. Скажем, чем дальше - тем больше квазаров в единице объема, с прохождением через максимум на смещениях около 2.
Можно продолжать и продолжать... В Ваших публикациях есть скрытые намеки едва ли не на мировой заговор космологов и "релятивистов". Он не оправдан ничем.
С уважением,
Рад слышать грамотного оппонента.
Тем не менее...
Если звёзды зажигают,
Значит-это кому нибудь нужно?
1.Звёзды рождаются,умирают и снова рождаются.Без вечного двигателя.
2.Парадокс Ольберса.Кроме геометрического расхождения есть ещё причина затухания волн и,главное,красного смещения спектров.Это сверхслабые флуктуации скорости распространения радиоволн в случайно неоднородной среде.Естественная "многолучевость" распространения волн в однородной среде и есть причина дополнительного затухания волн и красного смещения спектров.
Посмотрите "Сейсмическая томография и красное смещение спектров".
3.Бесконечная Вселенная устойчива,потому что без центра.Посмотрите "Бесконечность 2".
4.В вечной Вселенной звёзды снова рождаются и содержат водород и гелий.
5.Реликтовое излучение-это излучение бесконечной Вселенной и я бы назвал это излучением Ольберса.В п.2 предполагается,что в случайно-неоднородной среде Вселенной максимальный размер неоднородностей неограничен.Но максимальные размеры звёзд и звёздных скоплений ограничены.И полагаю,что максимальные размеры неоднородностей тоже ограничены.На очень больших удалениях п.2 теряет
значимость,Вселенная становится прозрачной и интенсивность свечения звёзд уменьшается только по причине геометрического расхождения.Это и есть свечение Ольберса.
6.У квазаров сравнительно широкие линии излучения и поглощения.Это и есть причина аномального красного смещения спектров по причине п.2,а не потому,что квазары удаляются с "дикой" скоростью и находятся "шибко" далкко.Кроме того,у одного и того же квазара разные красные смещения спектральных линий в зависимости от ширины линий.
Про мировой заговор не знаю.Но дискриминация есть.Посмотрите "Эдвин Хаббл,Хальтон Арп,Пол Мармет".
Если излучение поглощается какой-то средой, то эта среда обязана нагреваться - закон сохранения энергии-с! Соответственно, в вечной вселенной должно было давным-давно наступить тепловое равновесие между средой и излучателями. И парадокс Ольберса таким образом остается, а не разрешается.
"Размазанность" спектров квазаров имеет простую природу: квазар - не точечный источник, а распределенный, причем имеет области с высоккими относительно квазара скоростями. Это распределение и приводит (главным образом) к уширению спектральных линий. Кстати сказать, и снимки "Хаббла", и наземные инструменты прямо демонстрируют наличие потоков вещества из квазаров. Да и спектры обычных галактик размыты - по той же причине. Наконец, размытость спектров галактик не зависит от величин их хаббловских смещений!
Гравитационная устойчивость не спасается бесконечной вселенной. За бесконечное время существования все вещество должно свалиться в неимоверно массивные объекты, удаленные на едвали ни бесконечные расстояния друг от друга. Ньютон это уже понимал.
Водород просто обязан был выгореть в звездах. Процесс рождения протонов в звездных циклах или иных процесс ах никто никогда не наблюдал, и теоретических моделей для такого процесса неизвестно.
Ну, и так далее.
"Если излучение поглощается какой-то средой,то эта среда обязана нагреваться..."
И не просто нагреваться,а переизлучать энергию на длине волны чёрного тела с температурой 3К.Это одна из гипотез,объясняющих реликтовое излучение межзвёздным газом (Paul Marmet,The 3K mikrowave background and the Olbers paradox,Science,240,705,1988).
Согласен с уширением спектральных линий линий квазаров.Почему квазары занимают избранное положение во Вселенной:чем дальше,тем больше квазаров в еденице обьёма.Но есть ещё сейфертовские галактики с широкими эмиссионными линиями,но они не занимают избранное положение.Потому что не имеют аномального красного смещения?
"...размытость спектров галактик не зависит от величин их хаббловских смещений".Всё верно, с точностью до наоборот.Чем больше ширина спектральных линий,тем больше величина красного смещения в зависимости от удаления до источника.
Ньютон то понимал.А вот Эйнштейн... Чтобы уравновесить силы гравитации,ведущие Вселенную к неизбежному коллапсу,Эйнштейн ввёл в ОТО дополнительное слагаемое-космологический член или мистическую силу отталкивания.Есть поговорка:если нельзя,но очень хочется,то можно.Действитально,если фокусы с теориями относительности прошли,то почему бы для спасения Вселенной не ввести силы отталкивания.
Ньютон полагал,что материя распределена с равномерной плотностью.Ламберт предположил,что Вселенная представляет собой бесконечную иерархическую систему,состоящую из подсистем всё возростающей сложности.Модель Ламберта усовершенствовал Шарлье,что позволило исключить гравитационный парадокс.Без сил отталкивания и таинственного БВ.
Водород-самый распространённый элемент во Вселенной.Предполагать,что когда-то был БВ и поэтому водород не выгорел-не убедительно.Про рождение протонов в звёздых циклах.У нашей звезды есть планеты,которые состоят из множества разновидностей минералов.Если протоны не образуются,почему есть минералы?
"И не просто нагреваться,а переизлучать энергию на длине волны чёрного тела с температурой 3К."
1. А почему именно 3 градуса, а не пять, и не пять тысяч? В вечной вселенной должно было наступить тепловое равновесие, при котором температуры всех тел одинаковы. но этого не наблюдается!
Далее, у разреженного газа (а межзвездный газ именно разрежен) должен быть не спектр черного тела, а полосатый молекулярный спектр. И он действительно есть, и легко отделяется от реликтового фона.
И еще: теория БВ ПРЕДСКАЗАЛА (работы Гамова) спектр и температуру реликтового фона. А позже он был открыт Пензиасом и Растом.
Последнее по этому пункту: поглощение излучения далеких звезд может изменить отношение интенсивностей линий, снизить интенсивность излучения - но привести к сдвигу спектральных линий никак не может.
"Ньютон полагал,что материя распределена с равномерной плотностью.Ламберт предположил,что Вселенная представляет собой бесконечную иерархическую систему,состоящую из подсистем всё возростающей сложности.Модель Ламберта усовершенствовал Шарлье,что позволило исключить гравитационный парадокс.Без сил отталкивания и таинственного БВ."
Все эти иерархические структуры никак не спасают "вечную" вселенную. Они просто не соответствуют наблюдательным данным.
"Водород-самый распространённый элемент во Вселенной.Предполагать,что когда-то был БВ и поэтому водород не выгорел-не убедительно.Про рождение протонов в звёздых циклах.У нашей звезды есть планеты,которые состоят из множества разновидностей минералов.Если протоны не образуются,почему есть минералы?"
Возможно, что вы меня неправильно поняли. Напомню, что протон - это и есть ядро атома водорода. Эти атомы в звездах превращаются в более тяжелые элементы, вплоть до железа, а при катастрофических коллапсах звезд - и в более тяжелые элементы, вплоть до трансуранов, наблюдаемых в спектрах сверхновых. Минералы планет и наших тел - суть продукт метаморфозов "шлака" от взрывов самых древних звезд. Но больше всего в космосе водорода и гелия, которые образовались при БВ в эпоху первичного нуклеосинтеза, и их соотношение неплохо коррелирует с расчетами все того же Гамова.
А вот обратного процесса - превращения тяжелых элементов в легкие - никто никогда не наблюдал, если не считать, конечно, альфа-распада некоторых изотопов. Причина проста: очень уж энергозатратны эти процессы. При распаде тяжелых элементов источник энергии ясен: эта энергия была запасена при взрыве древних звезд. Да и дают такие процессы ничтожное по массе количество легких элементов и огромное - тяжелых, что никак не коррелирует с реальным раскладом по составу вещества в космосе. Опять же, при таких распадах образуется преимущественно гелий, а водород - никогда.
А, вот еще: сейфертовские галактики - это и есть квазары, только либо на завершающей стадии эволюции, либо имеющие джеты, не направленные к наблюдателю.
В статье есть 5 ссылок,объясняющих температуру излучения 3К.Одна из ссылок датирована 1940-м годом.
Гравитационный парадокс решается иерархической структурой Вселенной и это наблюдательные данные.
В вечной Вселенной водород уже бы выгорел в бесконечном прошлом.
Прогнозов апокалипсиса было уже много по причине недостатка знаний.
Какие парадоксы решаемы в рамках известных физических законов?
Парадокс Ольберса.Неоднородная среда есть причина дополнительного затухания волн и красного смещения спектров.Эффект "многолучевости" распространения волн хорошо изучен в радиосвязи.Мы обречены видеть конечную Вселенную бесконечной Вселенной.
Другие парадоксы тоже нужно решать в рамках известных законов физики без непричинного взрывания чего-то и неизвестного закона расширения пространства.
Но есть вопросы,на которые знатоки Большого Взрыва даже не пытаются ответить.
1.Если пространство расширяется,то фотоны тоже должны растягиватся за время длительного путешествия в миллиарды лет независимо от эффекта Допплера?
2.Если пространство расширяется,то элементарные частицы,звёзды и галактики тоже расширяются с момента БВ?
3.Если Вселенная расширяется и есть край Вселенной,то наблюдателю из края Вселенной кажется,что это мы находимся на краю Вселенной.Это следует из закона симметричности (эквивалентности)эффекта Допплера.Вы согласны быть на краю Вселенной?
Полагаю,что возникающие противоречия в гипотезе БВ рождают новые подпорки в виде тёмной энергии и тёмной материи.Если некоторым можно пространство искривлять и время замедлять,то последователям тоже можно темнить с энергией и материей.
Кто неправильно застегнул первую пуговицу,тот неправильно застегнёт и остальные.Народная мудрость.
Ежедневная аудитория портала Проза.ру - порядка 100 тысяч посетителей, которые в общей сумме просматривают более полумиллиона страниц по данным счетчика посещаемости, который расположен справа от этого текста. В каждой графе указано по две цифры: количество просмотров и количество посетителей.
Взгляды на природу исходного состояния, с которого началась эволюция Вселенной, постоянно носят философский характер. Так было, когда по этому поводу высказывались древнегреческие философы, располагавшие ничтожным багажом теоретических и эмпирических знаний; так обстоит дело и в настоящее время, когда этой проблемой занимаются ученые, в распоряжении которых имеются развернутые физические теории, изысканный математический аппарат и широкий диапазон эмпирических данных. Античных и современных исследователей этой проблемы объединяет уверенность в том, что исходное состояние Вселенной было простейшим из возможных. Для древних, таким состоянием был некий первичный хаос. Что касается современных космологов, то их суждения по поводу того, какое состояние Вселенной следует признать простейшим, достаточно разнообразны. Так, например, для бельгийского аббата и ученого Ж. Леметра простейшим из всех возможных состояний было такое состояние Вселенной, при котором вся материя содержалась бы в одном атомном ядре. Г. Гамов в качестве простейшего состояния рассматривал Вселенную, имеющую вид крайне разряженного состояния.
В современной науке широкое обсуждение получил вопрос о взаимосвязи и взаимообусловленности человека и Вселенной, который звучит следующим образом: почему предпосылки возникновения человека и человеческого разума во Вселенной оказываются обеспеченными уже на уровне фундаментальных законов природы и на стадии первичной плазмы, из которых возникла данная Вселенная? Ответ на этот вопрос ученые пытаются найти в антропном космологическом принципе, который был впервые сформулирован в 1967г. Д. Дикке, и развит в дальнейшем американским космологом Б. Картером, которому и принадлежит сам термин «антропный принцип».
Суть антропного космологического принципа (АКП) заключается в том, что жизнь и разум во Вселенной возможны только при тех значениях универсальных постоянных, физических констант, которые в действительности имеют место. Если значение физических констант имело бы хоть ничтожное отклонение от существующих, то возникновение жизни и разума было бы, в принципе, невозможно.
Действительно, почему природа устроена именно так, а не иначе? Ведь существует логическая возможность иных Вселенных, управляемых иными законами. Известно, что имеются фундаментальные физические постоянные (постоянная тяготения, постоянная Планка, заряда электрона, массы электрона и протона, скорости света и др.), а также некоторые космологические параметры, определяющие глобальные свойства нашего мира. Они случайны или необходимы? Ведь даже небольшое изменение одного из параметров, если бы оно произошло в действительности, вывело бы из строя одно или несколько звеньев «тонко надстроенной» эволюционной цепи, необходимой для возникновения во Вселенной устойчивых структур (ядер, атомов, звезд и т.д.), которое образует основу нашего высокоорганизованного мира. По словам Картера, антропный космологический принцип разумно было бы считать «реакцией против чрезмерно слепого следования принципу Коперника», запрещающему человеку ставить себя в привилегированное положение во Вселенной. АКП претендует, по существу, на объяснение именно выделенности той космологической эпохи, в которую во Вселенной существуют разумные существа. Таким образом, АКП констатирует необходимую связь между наличием во Вселенной разумных существ и фундаментальными физическими параметрами нашего мира, которые делают это возможным. В современном виде АКП был сформулирован в 70-е годы в двух вариантах: слабом и сильном. Суть «слабого» АКП, по словам Картера в том, что «наше положение во Вселенной с необходимостью является привилегированным в том смысле, что оно должно быть совместимо с нашим существованием в качестве наблюдателей». Мы видим Вселенную такой, какая она есть потому, что будь она другой, нас бы не было, и мы не могли бы её наблюдать.
«Сильный» АКП утверждает, что Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование наблюдателей». Это вариант АКП очень хорошо укладывается в религиозную концепцию программирования жизни, поскольку приводит к заключению, что с самого начала во Вселенной потенциально заложено появление «наблюдателя» на определенном этапе её развития. И что создание условий для появления «наблюдателя» является целью развития Вселенной. Но креоционистская концепция не выдерживает критики даже с позиций формальной логики. Ведь если Бог сотворил мир, то кто сотворил Бога, и если Бог создал сам себя, то почему мир тоже не мог сотворить себя сам?
Единственным корректным выходом из данной ситуации является введение определённых онтологических допущений, естественным образом объясняющих «тонкую под-стройку» физических параметров. Её можно истолковать, например, как «счастливую случайность», постулировав множество Вселенных, в которых реализуются всевозможные комбинации параметров. Одна (или несколько) из Вселенных этого потенциально бесконечного множества оказывается случайно наделенной всеми условиями, необходимыми для формирования высокоорганизованных структур, жизни и разума.