парадокси всесвіту
У космології питання про кінцівки або нескінченність Всесвіту має велике значення:
- якщо Всесвіт кінцевий, то, як показав Фрідман, вона не може перебувати в стаціонарному стані і повинна або розширюватися, або стискатися;
- якщо ж Всесвіт нескінченний, то всякі припущення про її стисненні або розширенні втрачають якої б то не було сенс.
Відомо, що так звані космологічні парадокси були висунуті як заперечення проти можливості існування нескінченного Всесвіту, нескінченної в тому сенсі, що ні її розміри, ні час існування, ні маса укладеного в ній речовини не можуть бути виражені ніякими, як завгодно великими числами. Подивимося ж, наскільки обгрунтованими виявляються ці заперечення.
Космологічні парадокси - суть і дослідження
Відомо, що основні заперечення проти можливості існування нескінченної в часі і просторі Всесвіту полягають в наступному.
1. «У 1744 р швейцарський астроном Ж. Ф. Шезо першим засумнівався в правильності ставлення до безкінечною Всесвіту: якщо кількість зірок у Всесвіті нескінченно, то чому все небо не виблискує, як поверхня єдиної зірки? Чому небо темне? Чому зірки розділені темними проміжками? »[1]. Як вважають, таке ж заперечення проти моделі нескінченного Всесвіту висунув німецький філософ Г. Олберс в 1823 р «Контраргумент Олберса полягав у тому, що світло, що йде до нас від далеких зірок, повинен послаблюватися через поглинання в що знаходиться на його шляху речовині. Але в такому випадку саме ця речовина має нагрітися і яскраво світитися, як зірки ». [2]. Однак так воно і є насправді! Відповідно до сучасних уявлень, вакуум не їсти «ніщо», але являє собою «щось», що володіє цілком реальними фізичними властивостями. Тоді чому не допустити, що світло взаємодіє з цим «щось» таким чином, що кожен фотон світла при русі в цьому «щось» втрачає енергію пропорційно пройденого їм відстані, внаслідок чого випромінювання фотона зміщується в червону частину спектру. Природно, що поглинання вакуумом енергії фотонів супроводжується підвищенням температури вакууму, внаслідок чого вакуум стає джерелом вторинного випромінювання, яке можна назвати фоновим. Коли відстань від Землі до випромінює об'єкта - зірки, галактики - досягає деякого граничного значення, випромінювання від цього об'єкта отримує настільки велике червоне зміщення, що зливається з фоновим випромінюванням вакууму. Тому, хоча кількість зірок у нескінченному Всесвіті нескінченно, кількість зірок, можна побачити з Землі, і взагалі з будь-якої точки Всесвіту, звичайно - в будь-якій точці простору спостерігач бачить себе як би в центрі Всесвіту, з якого спостерігається деяке обмежена кількість зірок (галактик). Разом з тим, на частоті фонового випромінювання все небо сяє як поверхню єдиної зірки, що і спостерігається в дійсності.
2. У 1850 р німецький фізик Р. Клаузіус «. прийшов до висновку, що в природі теплота переходить від теплого тіла до холодного. стан Всесвіту має все більше змінюватися в певному напрямку. Ці уявлення розвинув англійський фізик Вільям Томсон, згідно з яким всі фізичні процеси у Всесвіті супроводжуються перетворенням світлової енергії в теплоту »[1]. Отже, Всесвіт очікує «теплова смерть», тому нескінченне існування Всесвіту в часі неможливо. Насправді, це не так. Відповідно до сучасних уявлень, в «світлову енергію» і «теплоту» речовина перетворюється в результаті термоядерних процесів, що йдуть в зірках. «Теплова смерть» настане, як тільки вся речовина Всесвіту «згорить» в термоядерних реакціях. Очевидно, що в нескінченній Всесвіту і запаси речовини також є нескінченними, отже, все речовина Всесвіту «згорить» за нескінченно великий час. «Теплова смерть» загрожує швидше кінцевої Всесвіту, оскільки запаси речовини в ній обмежені. Втім, і в разі кінцевої Всесвіту її «теплова смерть» не є обов'язковою. Ще Ньютон сказав приблизно наступне: «Природа любить перетворення. Чому б у ряду різних перетворень не може бути таких, в яких речовина перетворюється в світло, а світло - в речовина ». В даний час такі перетворення добре відомі: з одного боку, речовина перетворюється в світло в результаті термоядерних реакцій, з іншого - фотони, тобто світло, за певних умов перетворюються в дві цілком матеріальних частки - електрон і позитрон. Таким чином, в природі здійснюється кругообіг речовини і енергії, що виключає «теплову смерть» Всесвіту.
3. У 1895 р німецький астроном Х. Зелігер «. прийшов до висновку, що подання про нескінченному просторі, заповненому речовиною при кінцевій його щільності, несумісне з законом тяжіння Ньютона. Якщо в нескінченному просторі щільність речовини не нескінченно мала, а кожні дві частки згідно із законом Ньютона взаємно притягуються, то сила тяжіння, що діє на будь-яке тіло, була б нескінченно великою, і під її впливом тіла отримали б нескінченно велике прискорення »[1].
Як пояснює, наприклад, І.Д. Новиков в [3], суть гравітаційного парадоксу полягає в наступному. «Нехай Всесвіт у середньому рівномірно заповнена небесними тілами, так що середня щільність речовини в дуже великих обсягах простору однакова. Спробуємо розрахувати відповідно до закону Ньютона, яка гравітаційна сила, викликана всім нескінченним речовиною Всесвіту, діє на тіло (наприклад, галактику), вміщену в довільну точку простору. Припустимо спочатку, що Всесвіт порожня. Помістимо в довільну точку простору пробне тіло A. Оточимо це тіло речовиною щільності, які заповнюють кулю радіуса R. щоб тіло A було в центрі кулі. Ясно без будь-яких розрахунків, що в силу симетрії тяжіння всіх частинок речовини кулі в його центрі врівноважує один одного, і результуюча сила дорівнює нулю, тобто на тіло A не діє ніяка сила. Будемо тепер додавати до кулі нові і нові сферичні шари речовини тієї ж щільності. сферичні шари речовини не створюють сил тяжіння у внутрішній порожнині і додавання цих шарів нічого не змінює, тобто як і раніше рівнодіюча сила тяжіння для A дорівнює нулю. Продовжуючи процес доповнення верств, ми приходимо в межі до нескінченної Всесвіту, рівномірно заповненої матерією, в якій результуюча гравітаційна сила, діюча на A. дорівнює нулю.
Однак міркування можна проводити і інакше. Візьмемо знову однорідний кулю радіуса R в порожній Всесвіту. Помістимо наше тіло не в центр цієї кулі з тією ж щільністю речовини, що і раніше, а на краю його. Тепер сила тяжіння, яка діє на тіло A. дорівнюватиме відповідно до закону Ньютона
де M - маса кулі; m - маса пробного тіла A.
Будемо тепер додавати сферичні шари речовини до кулі. Після того, як до цього кулі додана сферична оболонка, вона не додасть гравітаційних сил всередині себе. Отже, сила тяжіння, що діє на тіло A. не зміниться і як і раніше дорівнює F.
Продовжимо процес додавання сферичних оболонок речовини однаковою щільності. Сила F залишається незмінною. У межі ми знову одержуємо Всесвіт, заповнену однорідним речовиною з тією ж щільністю. Однак тепер на тіло A діє сила F. Очевидно, залежно від вибору початкового кулі, можна отримати силу F після переходу до однорідно заповненої речовиною Всесвіту. Ось ця неоднозначність і отримала назву гравітаційного парадоксу. теорія Ньютона не дає можливості без додаткових припущень однозначно розрахувати гравітаційні сили в нескінченному Всесвіті. Тільки теорія Ейнштейна дозволяє розрахувати ці сили без всяких протиріч ».
Протиріччя, однак, відразу ж зникають, якщо ми згадаємо, що нескінченна Всесвіт - це не те ж саме, що дуже велика:
- в нескінченному Всесвіті скільки шарів речовини ми б не додавали до кулі, за його межами залишається ще нескінченно велика кількість речовини;
- в нескінченному Всесвіті куля кожного, як завгодно великого радіуса з пробним тілом на його поверхні, завжди можна оточити сферою ще більшого радіуса таким чином, що і куля, і пробне тіло на його поверхні, виявляться всередині цієї нової сфери, заповненої речовиною тієї ж щільності, що і всередині кулі; в цьому випадку величина сил тяжіння, що діють на пробне тіло з боку кулі, виявиться рівною нулю.
Таким чином, скільки б ми не збільшували радіус кулі і скільки б шарів речовини не додавали, в нескінченному Всесвіті, рівномірно заповненою речовиною, величина сил тяжіння, що діють на пробне тіло, завжди дорівнюватиме нулю. Іншими словами, величина сил тяжіння, створюваних всім речовиною Всесвіту, в будь-який її точці дорівнює нулю. Однак якщо за межами кулі, на поверхні якого лежить пробне тіло, немає речовини, тобто якщо вся речовина Всесвіту зосереджено всередині цього кулі, тоді на пробне тіло, що лежить на поверхні цього тіла, діє сила тяжіння, пропорційна масі укладеного в кулі речовини. Під дією цієї сили пробне тіло, і взагалі всі зовнішні шари речовини кулі, буде притягатися до його центру - куля кінцевих розмірів, однорідний заповнений речовиною, неминуче буде стискатися під дію сил тяжіння. Цей висновок випливає як із закону всесвітнього тяжіння Ньютона, так і з загальної теорії відносності Ейнштейна: Всесвіт кінцевих розмірів не може існувати, так як під дією сил тяжіння її речовина має безупинно стискатися до центру Всесвіту.
«Ньютон розумів, що по його теорії тяжіння зірки повинні притягатися один до одного і тому, здавалося б. повинні впасти друг на друга, зблизившись в якійсь точці. Ньютон говорив, що так (тут і далі виділено мною - В.П.) дійсно мало б бути. якби у нас було лише кінцеве число зірок в кінцевої області простору. Але. якщо число зірок нескінченно і вони більш-менш рівномірно розподілені по нескінченному простору, то цього ніколи не станеться, так як немає центральної точки, куди їм потрібно було б падати. Ці міркування - приклад того, як легко потрапити в халепу, ведучи розмови про нескінченності. У нескінченного Всесвіту будь-яку точку можна вважати центром, так як по обидва боки від неї число зірок нескінченно. (Тоді можна - В.П.). взяти кінцеву систему, в якій всі зірки падають один на одного, прагнучи до центру, і подивитися, які будуть зміни, якщо додавати ще й ще зірок, розподілених приблизно рівномірно поза розглянутій області. Скільки б зірок ми не додали, вони завжди будуть прагнути до центру »[2]. Таким чином, щоб не «потрапити в халепу», ми повинні виділити з нескінченної Всесвіту деяку кінцеву область, переконатися в тому, що в такий кінцевої області зірки падатимуть у напрямку до центру цій галузі, після чого поширити цей висновок на нескінченну Всесвіт і заявити, що існування такої Всесвіту неможливо. Ось приклад того, як «. на всесвіт в цілому. »Переноситься«. як щось абсолютне такий стан. якому. може бути піддана. тільки частина матерії »(Ф. Енгельс. Анти-Дюрінг), наприклад, окремо взята зірка або скупчення зірок. Насправді, так як «в нескінченному Всесвіті будь-яку точку можна вважати центром», кількість таких точок нескінченно. У напрямку до якої ж з цього нескінченної кількості точок будуть рухатися зірки? І ще: якщо навіть раптом виявиться така точка, то нескінченна кількість зірок буде рухатися в напрямку цієї точки нескінченне час і стиснення у цій точці всієї нескінченної Всесвіту відбудеться також за нескінченний час, тобто ніколи. Інша річ, якщо Всесвіт кінцевий. У такій Всесвіту існує єдина точка, яка і є центр Всесвіту - це точка, з якої почалося розширення Всесвіту і в якій знову зосередиться вся речовина Всесвіту, коли її розширення зміниться стисканням. Таким чином, саме кінцева Всесвіт, тобто Всесвіт, розміри якої в кожен момент часу і величина зосередженого в ній речовини можуть бути виражена якимись кінцевими числами, приречена на стиск. Перебуваючи в стані стиснення, Всесвіт ніколи не зможе вийти з цього стану без якогось зовнішнього впливу. Оскільки, однак, поза Всесвіту немає ні речовини, ні простору, ні часу, єдиною причиною розширення Всесвіту може бути дія, виражене словами «Хай буде світло!». Як написав один раз Ф. Енгельс, «Ми можемо крутитися і викручуватися як нам завгодно, але. ми кожен раз знову повертаємося. до персту Божу »(Ф. Енгельс. Анти-Дюрінг). Однак перст Божий не може бути предметом вивчення науки.
висновок
Аналіз так званих космологічних парадоксів дозволяє укласти наступне.
1. Світове простір перестав бути порожнім, але заповнене деякою середовищем, назвемо ми це середовище ефіром або фізичним вакуумом. При русі в цьому середовищі фотони втрачають енергію пропорційно пройденого їм і відстані, внаслідок чого випромінювання фотонів зміщується в червону частину спектру. В результаті взаємодії з фотонами температура вакууму або ефіру підвищується на кілька градусів вище абсолютного нуля, внаслідок чого вакуум стає джерелом вторинного випромінювання, відповідного його абсолютної температурі, що і спостерігається в дійсності. На частоті цього випромінювання, яке дійсно є фоновим випромінюванням вакууму, все небо виявляється однаково яскравим, як це й припускав Ж. Ф. Шезо.
2. Всупереч припущенням Р.Клаузиуса, «теплова смерть» не загрожує нескінченного Всесвіту, що включає нескінченну кількість речовини, яка може перетворитися на теплоту за нескінченно великий час, тобто ніколи. «Теплова смерть» загрожує кінцевої Всесвіту, що включає кінцеве кількість речовини, перетворення якого в тепло може відбутися за кінцеве час. Саме тому існування кінцевої Всесвіту виявляється неможливим.
3. У нескінченного Всесвіту, розміри якої не можуть бути виражені ніяким, як завгодно великим числом, рівномірно заповненої речовиною при ненульовий його щільності, величина сил тяжіння, що діють в будь-якій точці Всесвіту, дорівнює нулю - це і є справжній гравітаційний парадокс нескінченного Всесвіту. Рівність нулю сил тяжіння в будь-якій точці нескінченного Всесвіту, рівномірно заповненої речовиною, означає, що простір у такому Всесвіту скрізь є евклідова.
У кінцевій Всесвіту, тобто у Всесвіті, розміри якої можуть бути виражені якимись, нехай і дуже великими числами, на пробне тіло, що знаходиться «на краю» Всесвіту, діє сила тяжіння, пропорційна масі укладеного в ній речовини, внаслідок чого це тіло буде прагнути до центру Всесвіту - кінцева Всесвіт, речовина якої рівномірно розподілено в усьому її обмеженому обсязі, приречена на стиск, що ніколи не зміниться розширенням без якогось зовнішнього впливу.
Таким чином, всі заперечення, або парадокси спрямовані, як вважають, проти можливості існування нескінченної в часі і просторі Всесвіту, в дійсності спрямовані проти можливості існування саме кінцевої Всесвіту. Насправді, Всесвіт нескінченний і в просторі, і в часі; нескінченна в тому сенсі, що ні розміри Всесвіту, ні кількість ув'язненого в ній речовини, ні час її життя не можуть бути виражені ніякими, як завгодно великими числами - нескінченність, вона і є нескінченність. Нескінченна Всесвіт ніколи не виникала ні як результат раптового і незрозумілого розширення і подальшого розвитку деякого «доматериального» об'єкта, ні як результат Божественного творіння.
Треба думати, проте, що наведені вище аргументи здадуться прихильникам теорії Великого вибуху абсолютно непереконливими. Як вважає відомий вчений Х. Альвен «Чим менше існує наукових доказів, тим паче фанатичної робиться віра в цей міф. Схоже на те, що в теперішній інтелектуальній атмосфері величезною перевагою космології «Великого вибуху» служить те, що вона є образою здорового глузду: credo, quia absurdum (вірю, бо абсурдно) »(цитується по [4]). На жаль, з деяких пір «фанатична віра» в ту чи іншу теорію є традицією: чим більше з'являється доказів наукової неспроможності таких теорій, тим більше фанатичною стає віра в їх абсолютну непогрішність.
Свого часу, полемізуючи з відомим церковним реформатором Лютером, Еразм Роттердамський писав: «Тут, я знаю, деякі, затуливши вуха, звичайно закричать:« Еразм посмів битися з Лютером! »Тобто муха зі слоном. Якщо хто-небудь захоче приписати це моєму слабоумства або невігласи, то я з ним не стану сперечатися, тільки нехай навіть і недоумкуватим - нехай навіть навчання заради - дозволять посперечатися з тими, кого Бог обдарував багатшими. Може бути, моя думка мене обманює; тому я хочу бути співрозмовником, а не суддею, дослідником, а не основоположником; я готовий вчитися у кожного, хто пропонує щось більш правильне і достовірне. Якщо ж Новомосковсктель побачить, що оснащення мого твору дорівнює тій, яка є у протилежної сторони, тоді він сам зважить і розсудить, що має більше значення: судження всіх освічених людей. всіх університетів. або ж приватна думка тієї чи іншої людини. Я знаю, в житті нерідко трапляється, що більша частина перемагає кращу. Я знаю, що при дослідженні істини ніколи не зайве додати своє старанність до того, що було зроблено раніше ».
Цими словами ми і закінчимо наше коротке дослідження.