Космологические парадоксы – суть и исследование. Космологические парадоксы

Введение. 3

1. Космологические парадоксы.. 4

2. Концепция расширяющейся Вселенной. 8

3. Концепция «Большого Взрыва». 14

Заключение. 20

Список использованных источников и литературы: 21

Приложения………………………………………………………………..22

Введение

Наша планета – одна из планет Солнечной системы. окружающие Солнце звёзды и само Солнце – это ничтожно малая часть гигантского коллектива звёзд и туманностей, называемого «Галактикой». . Но Вселенная состоит из огромного количества даже не галактик, а метагалактик, являющихся скоплениями галактик. Собственно, метагалактика – это и есть известная в настоящее время Вселенная. Здесь масштабы и расстояния приобретают характер, совершенно не представимый человеческому воображению.

Изменение в представлениях о форме и размерах Вселенной на протяжении веков и до наших дней описано в начальных главах многих научно-популярных книг по космологии. Главные темы космологии сейчас - это ядерные превращения в звездах и физика субатомных частиц. А космогония (от слова gonia - угол), являясь в наше время лишь частью более общей науки - космологии, говорит именно о крупномасштабных пространственных характеристиках Вселенной - не об архитектурных и конструктивных деталях мироздания, а как бы со стороны целиком показывает модель, макет этого «здания», в котором мы живем.

Цель нашей работы раскрыть концепцию Большого Взрыва. Для этого необходимо решить следующие задачи:

1. Выявить космологические парадоксы;

2. Рассмотреть концепцию расширяющейся Вселенной;

3. Изучить концепцию непосредственно Большого Взрываю

Космологические парадоксы

В истории познания окружающего нас мира четко прослеживается общее направление - постепенное признание неисчерпаемости природы, ее бесконечности во всех отношениях. Вселенная бесконечна в пространстве и во времени, и если отбросить идеи И. Ньютона о "первом толчке", то такого рода мировоззрение можно считать вполне материалистическим. Ньютоновская Вселенная утверждала, что пространство есть вместилище всех небесных тел, с движением и массой которых оно никак не связано; Вселенная всегда одна и та же, т. е. стационарна, хотя в ней постоянно происходит гибель и рождение миров.

Казалось бы, небо ньютоновской космологии обещало быть безоблачным. Однако очень скоро пришлось убедиться в обратном. В течение XIX в. обнаружились три противоречия, которые были сформулированы в форме трех парадоксов, названных космологическими. Они, казалось, подрывали представление о бесконечности Вселенной.

Фотометрический парадокс. Если Вселенная бесконечна и звезды в ней распределены равномерно, то по любому направлению мы должны видеть какую-нибудь звезду. В этом случае фон неба был бы ослепительно ярким, как Солнце.

Гравитационный парадокс. Если Вселенная бесконечна и звезды равномерно занимают ее пространство, то сила тяготения в каждой его точке должна быть бесконечно велика, а стало быть, бесконечно велики были бы и относительные ускорения космических тел, чего, как известно, нет.

Термодинамический парадокс. По второму закону термодинамики все физические процессы во Вселенной в конечном счете сводятся к выделению теплоты, которая необратимо рассеивается в мировом пространстве. Рано или поздно все тела остынут до температуры абсолютного нуля, движение прекратится и наступит навсегда "тепловая смерть". Вселенная имела начало, и ее ждет неизбежный конец.

Первая четверть XX в. прошла в томительном ожидании развязки. Никто, разумеется, не хотел отрицать бесконечность Вселенной, но, с другой стороны, никому не удавалось устранить космологические парадоксы стационарной Вселенной. Лишь гений Альберта Эйнштейна внес новую струю в космологические споры.

Ньютоновская классическая физика, как уже говорилось, рассматривала пространство как вместилище тел. Никакого взаимодействия между телами и пространством по Ньютону и быть не могло.

В 1916 г. А. Эйнштейн опубликовал основы общей теории относительности. Одна из главных ее идей состоит в том, что материальные тела, в особенности большой массы, заметно искривляют пространство. Из-за этого, например, луч света, проходящий вблизи Солнца, изменяет первоначальное направление.

Представим себе теперь, что во всей наблюдаемой нами части Вселенной материя равномерно "размазана" в пространстве и в любой его точке действуют одни и те же законы. При некоторой средней плотности космического вещества выделенная ограниченная часть Вселенной не только искривит пространство, но даже замкнет его "на себя". Вселенная (точнее, выделенная ее часть) превратится в замкнутый мир, напоминающий обычную сферу. Но только это будет четырехмерная сфера, или гиперсфера, представить себе которую мы, трехмерные существа, не в состоянии. Однако, мысля по аналогии, мы легко разберемся в некоторых свойствах гиперсферы. Она, как и обычная сфера, имеет конечный объем, заключающий в себе конечную массу вещества. Если в мировом пространстве лететь все время в одном направлении, то через некоторое число миллиардов лет можно попасть в исходную точку.

Идею о возможности замкнутости Вселенной впервые высказал А. Эйнштейн. В 1922 г. советский математик А. А. Фридман доказал, что "замкнутая Вселенная" Эйнштейна никак не может быть статичной. В любом случае ее пространство или расширяется, или сжимается со всем своим содержимым.

В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл открыл замечательную закономерность: линии в спектрах подавляющего большинства галактик смещены к красному концу, причем смещение тел тем больше, чем дальше от нас находится галактика. Это интересное явление называется красным смещением. Объяснив красное смещение эффектом Доплера, т. е. изменением длины волны света в связи с движением источника, ученые пришли к выводу о том, что расстояние между нашей и другими галактиками непрерывно увеличивается. Конечно, галактики не разлетаются во все стороны от нашей Галактики, которая не занимает никакого особого положения в Метагалактике, а происходит взаимное удаление всех галактик. Это означает, что наблюдатель, находящийся в любой галактике, мог бы, подобно нам, обнаружить красное смещение, ему казалось бы, что от него удаляются все галактики. Таким образом, Метагалактика нестационарна. Открытие расширения Метагалактики свидетельствует о том, что Метагалактика в прошлом была не такой, как сейчас, и иной станет в будущем, т. е. Метагалактика эволюционирует.

По красному смещению определены скорости удаления галактик. У многих галактик они очень велики, соизмеримы со скоростью света. Самыми большими скоростями, иногда превышающими 250 тыс. км/с, обладают некоторые квазары, считающиеся самыми удаленными от нас объектами Метагалактики.

Закон, согласно которому красное смещение (а значит, и скорость удаления галактик) возрастает пропорционально расстоянию от галактик (закон Хаббла), можно записать в виде: v - Нr, где v - лучевая скорость галактики; r - расстояние до нее; Н - постоянная Хаббла. По современным оценкам, значение Н заключено в пределах:

Следовательно, наблюдаемый темп расширения Метагалактики таков, что галактики, разделенные расстоянием 1 Мпк (3 10 19 км), удаляются друг от друга со скоростью от 50 до 100 км/с. Если скорость удаления галактики известна, то можно вычислить расстояние до далеких галактик.

Итак, мы живем в расширяющейся Метагалактике. Это явление имеет свои особенности. Расширение Метагалактики проявляется только на уровне скоплений и сверхскоплений галактик, т. е. систем, элементами которых являются галактики. Другая особенность расширения Метагалактики заключается в том, что не существует центра, от которого разбегаются галактики.

Расширение Метагалактики - самое грандиозное из известных в настоящее время явлений природы. Правильное его истолкование имеет исключительно большое мировоззренческое значение. Не случайно в объяснении причины этого явления резко проявилось коренное отличие философских взглядов ученых. Некоторые из них, отождествляя Метагалактику со всей Вселенной, пытаются доказать, что расширение Метагалактики подтверждает религиозное о сверхъестественном, божественном происхождении Вселенной. Однако во Вселенной известны естественные процессы, которые в прошлом могли вызвать наблюдаемое расширение. По всей вероятности, это взрывы. Их масштабы поражают нас уже при изучении отдельных видов галактик.

Известно, что основные возражения против возможности существования бесконечной во времени и пространстве Вселенной заключаются в следующем.

1. «В 1744 г. швейцарский астроном Ж.Ф. Шезо первым усомнился в правильности представления о бесконечной Вселенной: если количество звезд во Вселенной бесконечно, то почему все небо не сверкает, как поверхность единой звезды? Почему небо темное? Почему звезды разделены темными промежутками?». Как полагают, такое же возражение против модели бесконечной Вселенной выдвинул немецкий философ Г. Олберс в 1823 г. «Контраргумент Олберса состоял в том, что свет, идущий к нам от далеких звезд, должен ослабляться из-за поглощения в находящемся на его пути веществе. Но в таком случае само это вещество должно нагреться и ярко светиться, как звезды». Однако так оно и есть в действительности! Согласно современным представлениям, вакуум не есть «ничто», но представляет собой «нечто», обладающее вполне реальными физическими свойствами. Тогда почему не предположить, что свет взаимодействует с этим «нечто» таким образом, что каждый фотон света при движении в этом «нечто» теряет энергию пропорционально пройденному им расстоянию, вследствие чего излучение фотона смещается в красную часть спектра.

Естественно, что поглощение вакуумом энергии фотонов сопровождается повышением температуры вакуума, вследствие чего вакуум становится источником вторичного излучения, которое можно назвать фоновым. Когда расстояние от Земли до излучающего объекта – звезды, галактики – достигает некоторого предельного значения, излучение от этого объекта получает настолько большое красное смещение, что сливается с фоновым излучением вакуума. Поэтому, хотя количество звезд в бесконечной Вселенной бесконечно, количество звезд, наблюдаемых с Земли, и вообще из любой точки Вселенной, конечно – в любой точке пространства наблюдатель видит себя как бы в центре Вселенной, из которого наблюдается некоторое ограниченное количество звезд (галактик). Вместе с тем, на частоте фонового излучения все небо сверкает как поверхность единой звезды, что и наблюдается в действительности.

2. В 1850 г. немецкий физик Р. Клаузиус «... пришел к выводу, что в природе теплота переходит от теплого тела к холодному... состояние Вселенной должно все больше изменяться в определенном направлении... Эти представления развил английский физик Уильям Томсон, согласно которому все физические процессы во Вселенной сопровождаются превращением световой энергии в теплоту». Следовательно, Вселенную ожидает «тепловая смерть», поэтому бесконечное существование Вселенной во времени невозможно. В действительности, это не так. Согласно современным представлениям, в «световую энергию» и «теплоту» вещество превращается в результате термоядерных процессов, идущих в звездах. «Тепловая смерть» наступит, как только все вещество Вселенной «сгорит» в термоядерных реакциях. Очевидно, что в бесконечной Вселенной и запасы вещества также являются бесконечными, следовательно, все вещество Вселенной «сгорит» за бесконечно большое время. «Тепловая смерть» угрожает скорее конечной Вселенной, поскольку запасы вещества в ней ограничены. Впрочем, и в случае конечной Вселенной ее «тепловая смерть» не является обязательной. Еще Ньютон сказал примерно следующее: «Природа любит превращения. Почему бы в ряду различных превращений не может быть таких, в которых вещество превращается в свет, а свет – в вещество». В настоящее время такие превращения хорошо известны: с одной стороны, вещество превращается в свет в результате термоядерных реакций, с другой – фотоны, т.е. свет, при определенных условиях превращаются в две вполне материальных частицы – электрон и позитрон. Таким образом, в природе осуществляется кругооборот вещества и энергии, что исключает «тепловую смерть» Вселенной.

3. В 1895 г. немецкий астроном Х. Зелигер «... пришел к выводу, что представление о бесконечном пространстве, заполненном веществом при конечной его плотности, несовместимо с законом тяготения Ньютона... Если в бесконечном пространстве плотность вещества не бесконечно мала, а каждые две частицы по закону Ньютона взаимно притягиваются, то сила тяготения, действующая на любое тело, была бы бесконечно большой, и под ее воздействием тела получили бы бесконечно большое ускорение».

Как объясняет, например, И.Д. Новиков в, суть гравитационного парадокса заключается в следующем. «Пусть Вселенная в среднем равномерно заполнена небесными телами, так что средняя плотность вещества в очень больших объемах пространства одинакова. Попытаемся рассчитать в соответствии с законом Ньютона, какая гравитационная сила, вызванная всем бесконечным веществом Вселенной, действует на тело (например, галактику), помещенную в произвольную точку пространства. Предположим сначала, что Вселенная пуста. Поместим в произвольную точку пространства пробное тело A . Окружим это тело веществом плотности, заполняющим шар радиуса R , чтобы тело A было в центре шара. Ясно без всяких расчетов, что в силу симметрии тяготение всех частичек вещества шара в его центре уравновешивает друг друга, и результирующая сила равна нулю, т.е. на тело A не действует никакая сила. Будем теперь добавлять к шару новые и новые сферические слои вещества той же плотности... сферические слои вещества не создают сил тяготения во внутренней полости и добавление этих слоев ничего не меняет, т.е. по-прежнему равнодействующая сила тяготения для A равна нулю. Продолжая процесс дополнения слоев, мы приходим в пределе к бесконечной Вселенной, равномерно заполненной материей, в которой результирующая гравитационная сила, действующая на A , равна нулю.

Однако рассуждения можно проводить и иначе. Возьмем снова однородный шар радиуса R в пустой Вселенной. Поместим наше тело не в центр этого шара с той же плотностью вещества, что и раньше, а на краю его. Теперь сила тяготения, которая действует на тело A , будет равна согласно закону Ньютона

F = GMm /R 2 ,

где M – масса шара; m – масса пробного тела A .

Будем теперь добавлять сферические слои вещества к шару. После того, как к этому шару добавлена сферическая оболочка, она не добавит гравитационных сил внутри себя. Следовательно, сила тяготения, действующая на тело A , не изменится и по-прежнему равна F .

Продолжим процесс добавления сферических оболочек вещества одинаковой плотности. Сила F остается неизменной. В пределе мы снова получаем Вселенную, заполненную однородным веществом с той же плотностью. Однако теперь на тело A действует сила F . Очевидно, в зависимости от выбора первоначального шара, можно получить силу F после перехода к однородно заполненной веществом Вселенной. Вот эта неоднозначность и получила название гравитационного парадокса... теория Ньютона не дает возможности без добавочных предположений однозначно рассчитать гравитационные силы в бесконечной Вселенной. Только теория Эйнштейна позволяет рассчитать эти силы без всяких противоречий» пишет сайт news-chel.ru .

Противоречия, однако, сразу же исчезают, если мы вспомним, что бесконечная Вселенная – это не то же самое, что очень большая:

• в бесконечной Вселенной сколько слоев вещества мы бы не прибавляли к шару, за его пределами остается еще бесконечно большое количество вещества;
• в бесконечной Вселенной шар любого, сколь угодно большого радиуса с пробным телом на его поверхности, всегда можно окружить сферой еще большего радиуса таким образом, что и шар, и пробное тело на его поверхности, окажутся внутри этой новой сферы, заполненной веществом той же плотности, что и внутри шара; в этом случае величина сил тяготения, действующих на пробное тело со стороны шара, окажется равной нулю.

Таким образом, сколько бы мы не увеличивали радиус шара и сколько бы слоев вещества не прибавляли, в бесконечной Вселенной, равномерно заполненной веществом, величина сил тяготения, действующих на пробное тело, всегда будет равна нулю. Другими словами, величина сил тяготения, создаваемых всем веществом Вселенной, в любой ее точке равна нулю. Однако если за пределами шара, на поверхности которого лежит пробное тело, нет вещества, т.е. если все вещество Вселенной сосредоточено внутри этого шара, тогда на пробное тело, лежащее на поверхности этого тела, действует сила тяготения, пропорциональная массе заключенного в шаре вещества. Под действием этой силы пробное тело, и вообще все внешние слои вещества шара, будет притягиваться к его центру – шар конечных размеров, однородно заполненный веществом, неизбежно будет сжиматься под действие сил тяготения. Этот вывод следует как из закона всемирного тяготения Ньютона, так и из общей теории относительности Эйнштейна: Вселенная конечных размеров не может существовать, так как под действием сил тяготения ее вещество должно непрерывно сжиматься к центру Вселенной.

«Ньютон понимал, что по его теории тяготения звезды должны притягиваться друг к другу и поэтому, казалось бы... должны упасть друг на друга, сблизившись в какой-то точке... Ньютон говорил, что так (здесь и далее выделено мной – В.П. ) действительно должно было бы быть , если бы у нас было лишь конечное число звезд в конечной области пространства. Но... если число звезд бесконечно и они более или менее равномерно распределены по бесконечному пространству, то этого никогда не произойдет, так как нет центральной точки, куда им нужно было бы падать. Эти рассуждения – пример того, как легко попасть впросак, ведя разговоры о бесконечности. В бесконечной Вселенной любую точку можно считать центром, так как по обе стороны от нее число звезд бесконечно. (Тогда можно – В.П.)... взять конечную систему, в которой все звезды падают друг на друга, стремясь к центру, и посмотреть, какие будут изменения, если добавлять еще и еще звезд, распределенных приблизительно равномерно вне рассматриваемой области. Сколько бы звезд мы ни добавили, они всегда будут стремиться к центру» . Таким образом, чтобы не «попасть впросак», мы должны выделить из бесконечной Вселенной некоторую конечную область, убедиться в том, что в такой конечной области звезды будут падать по направлению к центру этой области, после чего распространить этот вывод на бесконечную Вселенную и заявить, что существование такой Вселенной невозможно. Вот пример того, как «... на вселенную в целом...» переносится «... как нечто абсолютное такое состояние,...которому... может быть подвержена... только часть материи» (Ф. Энгельс. Анти-Дюринг), например, отдельно взятая звезда или скопление звезд. В действительности, так как «в бесконечной Вселенной любую точку можно считать центром», количество таких точек бесконечно. По направлению к какой же из этого бесконечного множества точек будут двигаться звезды? И еще: если даже вдруг обнаружится такая точка, то бесконечное количество звезд будет двигаться в направлении этой точки бесконечное время и сжатие в этой точке всей бесконечной Вселенной произойдет также за бесконечное время, т.е. никогда. Иное дело, если Вселенная конечна. В такой Вселенной существует единственная точка, которая и есть центр Вселенной – это точка, из которой началось расширение Вселенной и в которой опять сосредоточится все вещество Вселенной, когда ее расширение сменится сжатием. Таким образом, именно конечная Вселенная, т.е. Вселенная, размеры которой в каждый момент времени и величина сосредоточенного в ней вещества могут быть выражена какими-то конечными числами, обречена на сжатие. Находясь в состоянии сжатия, Вселенная никогда не сможет выйти из этого состояния без какого-то внешнего воздействия. Поскольку, однако, вне Вселенной нет ни вещества, ни пространства, ни времени, единственной причиной расширения Вселенной может быть действие, выраженное словами «Да будет свет!». Как написал однажды Ф. Энгельс, «Мы можем вертеться и изворачиваться как нам угодно, но... мы каждый раз опять возвращаемся... к персту Божию» (Ф. Энгельс. Анти-Дюринг). Однако перст Божий не может быть предметом изучения науки.

Заключение

Анализ так называемых космологических парадоксов позволяет заключить следующее.

1. Мировое пространство не является пустым, но заполнено некоторой средой, назовем ли мы эту среду эфиром или физическим вакуумом. При движении в этой среде фотоны теряют энергию пропорционально пройденному им и расстоянию, вследствие чего излучение фотонов смещается в красную часть спектра. В результате взаимодействия с фотонами температура вакуума или эфира повышается на несколько градусов выше абсолютного нуля, вследствие чего вакуум становится источником вторичного излучения, соответствующего его абсолютной температуре, что и наблюдается в действительности. На частоте этого излучения, которое действительно является фоновым излучением вакуума, все небо оказывается одинаково ярким, как это и предполагал Ж.Ф. Шезо.

2. Вопреки предположению Р. Клаузиуса, «тепловая смерть» не угрожает бесконечной Вселенной, включающей бесконечное количество вещества, которое может превратиться в теплоту за бесконечно большое время, т.е. никогда. «Тепловая смерть» угрожает конечной Вселенной, включающей конечное количество вещества, превращение которого в тепло может произойти за конечное время. Именно поэтому существование конечной Вселенной оказывается невозможным.

3. В бесконечной Вселенной, размеры которой не могут быть выражены никаким, сколь угодно большим числом, равномерно заполненной веществом при ненулевой его плотности, величина сил тяготения, действующих в любой точке Вселенной, равна нулю – это и есть истинный гравитационный парадокс бесконечной Вселенной. Равенство нулю сил тяготения в любой точке бесконечной Вселенной, равномерно заполненной веществом, означает, что пространство в такой Вселенной всюду является Эвклидовым.

В конечной Вселенной, т.е. во Вселенной, размеры которой могут быть выражены какими-то, пусть и очень большими числами, на пробное тело, находящееся «на краю» Вселенной, действует сила притяжения, пропорциональная массе заключенного в ней вещества, вследствие чего это тело будет стремиться к центру Вселенной – конечная Вселенная, вещество которой равномерно распределено во всем ее ограниченном объеме, обречена на сжатие, которое никогда не сменится расширением без какого-то внешнего воздействия.

Таким образом, все возражения, или парадоксы направленные, как считают, против возможности существования бесконечной во времени и пространстве Вселенной, в действительности направлены против возможности существования именно конечной Вселенной. В действительности, Вселенная бесконечна и в пространстве, и во времени; бесконечна в том смысле, что ни размеры Вселенной, ни количество заключенного в ней вещества, ни время ее жизни не могут быть выражены никакими, сколь угодно большими числами – бесконечность, она и есть бесконечность. Бесконечная Вселенная никогда не возникала ни как результат внезапного и необъяснимого расширения и дальнейшего развития некоторого «доматериального» объекта, ни как результат Божественного творения.

Надо полагать, тем не менее, что приведенные выше доводы покажутся сторонникам теории Большого взрыва абсолютно неубедительными. Как считает известный ученый Х. Альвен «Чем меньше существует научных доказательств, тем более фанатичной делается вера в этот миф. Похоже на то, что в теперешней интеллектуальной атмосфере огромным преимуществом космологии «Большого взрыва» служит то, что она является оскорблением здравого смысла: credo, quia absurdum (верю, ибо абсурдно)» (цитируется по ). К сожалению, с некоторых пор «фанатичная вера» в ту или иную теорию является традицией: чем больше появляется доказательств научной несостоятельности таких теорий, тем более фанатичной становится вера в их абсолютную непогрешимость.

В свое время, полемизируя с известным церковным реформатором Лютером, Эразм Роттердамский писал: «Здесь, я знаю, некоторые, зажав уши, конечно закричат: «Эразм посмел сразиться с Лютером!» То есть муха со слоном. Если кто-нибудь захочет приписать это моему слабоумию или невежеству, то я с ним не стану спорить, только пусть даже и слабоумным – пусть даже научения ради – разрешат поспорить с теми, кого Бог одарил богаче... Может быть, мое мнение меня обманывает; поэтому я хочу быть собеседником, а не судьей, исследователем, а не основоположником; я готов учиться у каждого, кто предлагает что-то более правильное и достоверное... Если же читатель увидит, что оснастка моего сочинения равна той, которая имеется у противоположной стороны, тогда он сам взвесит и рассудит, что имеет большее значение: суждение всех просвещенных людей..., всех университетов..., или же частное мнение того или иного человека... Я знаю, в жизни нередко случается, что большая часть побеждает лучшую. Я знаю, что при исследовании истины никогда не лишне добавить свое прилежание к тому, что было сделано прежде».

Этими словами мы и закончим наше краткое исследование.

Источники информации:

1. Климишин И.А. Релятивистская астрономия. М.: Наука, 1983.
2. Хокинг С. От большого взрыва до черных дыр. М.: Мир, 1990.
3. Новиков И.Д. Эволюция Вселенной. М.: Наука, 1983.
4. Гинзбург В.Л. О физике и астрофизике. Статьи и выступления. М.: Наука, 1985.

Первая брешь в этой спокойной классической космологии была пробита еще в XVIII в. В 1744 г. астроном Р. Шезо, известный открытием необычной «пятихвостой» кометы, высказал сомнение в пространственной бесконечности Вселенной. В ту пору о существовании звездных систем и не подозревали, поэтому рассуждения Шезо касались только звезд.

Если предположить, утверждал Шезо, что в бесконечной Вселенной существует бесчисленное множество звезд и они распределены в пространстве равномерно, то тогда по любому направлению взгляд земного наблюдателя непременно натыкался бы на какую-нибудь звезду. Легко подсчитать, что небосвод, сплошь усеянный звездами, имел бы такую поверхностную яркость, что даже Солнце на его Фоне казалось бы черным пятном. Независимо от Шезо в 1823 г. к таким же выводам пришел известный немецкий астроном Ф. Ольберс. Это парадоксальное утверждение получило в астрономии наименование фотометрического парадокса Шезо-Ольберса. Таков был первый космологический парадокс, поставивший под сомнение бесконечность Вселенной.

Устранить этот парадокс ученые пытались различными путями. Можно было допустить, например, что звезды распределены в пространстве неравномерно. Но тогда в некоторых направлениях на звездном небе было бы видно мало звезд, а в других, если звезд бесчисленное множество, их совокупная яркость создавала бы бесконечно яркие пятна, чего, как известно. нет.

Когда открыли, что межзвездное пространство не пусто, а заполнено разреженными газово-пылевыми облаками, некоторые ученые стали считать, что такие облака, поглощая свет звезд, делают из невидимыми для нас. Однако в 1938 г. академик В.Г. Фесенков доказал, что, поглотив свет звезд, газо-во-пылевые туманности вновь переизлучают поглощенную ими энергию, а это не избавляет нас от фотометрического парадокса.

В конце XIX в. немецкий астроном К. Зеелигер обратил внимание и на другой парадокс, неизбежно вытекающий из представлений о бесконечности Вселенной. Он получил название гравитационного парадокса. Нетрудно подсчитать, что в бесконечной Вселенной с равномерно распределенными в ней телами сила тяготения со стороны всех тел Вселенной па данное чело оказывается бесконечно большой или неопределенной. Результат зависит от способа вычисления, причем относительные скорости небесных тел могли быть бесконечно большими. Так как ничего похожего в космосе не наблюдается, Зеелигер сделал вывод, что количество небесных тел ограничено, а значит, Вселенная не бесконечна.

Эти космологические парадоксы оставались неразрешенными до двадцатых годов нашего столетия, когда на смену классической космологии пришла теория конечной и расширяющейся Вселенной.

Мы уже говорили о началах термодинамики и некоторых выводах из них. Мир полон энергии, которая подчиняется важнейшему закону природы - закону сохранения энергии. При всех своих превращениях из одного вида в другой энергия не исчезает и не возникает из ничего. Общее количество энергии остается постоянным. Казалось бы, из этого закона неизбежно вытекает вечный круговорот материи во Вселенной. В самом деле, если в Природе при всех изменениях материи она не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы существования в другую, то Вселенная вечна, и материя, ее составляющая, пребывает в вечном круговороте. Таким образом, погасшие звезды снова превращаются в источник света и тепла. Никто, конечно, не знал как это происходит, но убеждение в том, что Вселенная в целом всегда одна и та же, было в прошлом веке почти всеобщим.

Тем неожиданнее прозвучал вывод из второго закона термодинамики, открытого в прошлом веке англичанином У. Кельвином и немецким физиком Р. Клаузиусом. При всех превращениях различные виды энергии в конечном счете переходят в тепло, которое, будучи предоставлено себе, стремится к состоянию термодинамического равновесия, то есть рассеивается в пространстве. Так как такой процесс рассеяния тепла необратим, то рано или поздно все звезды погаснут, псе активные процессы в Природе прекратятся и Вселенная превратится в мрачное замерзшее кладбище. Наступит «тепловая смерть Вселенной».

Ошеломляющее впечатление, произведенное на естествоиспытателей прошлого века вторым началом термодинамики, было особенно сильно еще и потому, что вокруг себя, в окружающей нас Природе они не видели фактов, его опровергающих. Наоборот, все, казалось, подтверждало мрачные прогнозы Клаузиуса.

Конечно, есть в Природе и антиэнтропийные процессы, при которых беспорядок, а значит, и энтропия уменьшаются. Таковы процессы, происходящие в органическом мире, в человеческой деятельности. Но при более глубоком рассмотрении ситуации всегда оказывается, что уменьшение беспорядка в одном месте неизбежно сопровождается его увеличением в другом. Более того, возникший по вине человека беспорядок значительно превышает тот порядок, который он внес в Природу, так что в конечном счете энтропия и тут продолжает расти. Встать на позицию Клаузнуса - это значит признать, что Вселенная имела когда-то начало и неизбежно будет иметь конец. Действительно, если бы в прошлом Вселенная существовала вечно, то в ней давно наступило бы состояние тепловой смерти, а так как этого нет, то, по убеждению Клаузиуса и многих других его современников, Вселенная была сотворена сравнительно недавно. А в будущем, если не случится какое-нибудь чудо. Вселенную ждет тепловая смерть.

На опровержение второго начала термодинамики были брошены силы всех материалистически мыслящих ученых. Так, в 1895 г. Людвиг Больцман предложил свою вероятностную трактовку второго начала. По его гипотезе, возрастание энтропии происходит потому, что состояние беспорядка всегда более вероятно, чем состояние порядка. Но это не означает, что процессы противоположного характера, то есть самопроизвольные с уменьшением энтропии, абсолютно невозможны. Они в принципе возможны, хотя и крайне маловероятны.

Всюду мы наблюдаем, как тепло от более горячего тела переходит к более холодному. Однако в принципе возможно и другое: кусок льда, брошенный в печь, увеличит ее жар. Не исключено и такое событие, что все молекулы воздуха в нашей комнате соберутся вдруг в одном ее углу, а вы погибнете от удушья в другом. Наконец, возможно, что обезьяна, посаженная за пишущую машинку, случайно выстучит пальцем сонет Шекспира. Все эти события возможны, но вероятность их близка к нулю. Такова же, по Больцману, вероятность существования нас с вами.

Больцман не сомневался, что Вселенная бесконечна в пространстве и времени. В основном и почти всегда она пребывает в состоянии тепловой смерти. Однако иногда в некоторых ее районах возникают крайне маловероятные отклонения (флуктуации) от обычного состояния Вселенной. К одной из них принадлежит Земля и весь видимый нами космос. В целом же Вселенная - безжизненный мертвый океан с некоторым количеством островков жизни.

Гипотеза Больцмана хотя и подвергла сомнению всеобщность и строгую обязательность второго начала, не смогла удовлетворить оптимистически мыслящих ученых. К тому же и расчеты показали, что вероятность возникновения такой гигантской флуктуации в пространстве практически равна нулю.

Были и другие попытки объяснить этот термодинамический парадокс, но они так же не увенчались успехом.

Три космологических парадокса: фотометрический, гравитационный и термодинамический - заставили ученых серьезно усомниться в бесконечности и вечности Вселенной. Именно - они заставили А. Эйнштейна в 1917 г. выступить с гипотезой о конечной, но безграничной Вселенной.

Предположим, что вещество, составляющее планеты, звезды и звездные системы, равномерно рассеяно по всему мировому пространству. Тем самым мы допускаем, что Вселенная всюду однородна и к тому же изотропна, то есть во всех направлениях имеет одинаковые свойства. Будем считать, что средняя плотность вещества во Вселенной выше так называемой критической плотности. Если все эти требования соблюдены, мировое пространство, как это доказал Эйнштейн, замкнуто и представляет собой четырехмерную сферу, для которой верна не привычная школьная геометрия Евклида, а геометрия Римана.

КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАДО́КСЫ

затруднения (противоречия), возникающие при распространении законов физики на Вселенную в целом. Классич. К. п. являются фотометрический (или парадокс Шезо–Ольберса) и гравитационный (иначе парадокс Зелигера, или Неймана–Зелигера).

Кажется естественным предположить, что повсюду в бесконечном пространстве Вселенной всегда имеются излучающие звезды и что их средняя пространств. плотность (число звезд на данный объем пространства) в целом отлична от нуля. Однако при этом вся поверхность неба должна была бы быть ослепительно яркой, подобно, напр., поверхности Солнца; на деле поверхностная яркость ночного неба в миллионы раз ниже. Предположения о поглощении света межзвездной средой и др. не устраняют фотометрич. парадокса и могут его даже усиливать.

При аналогичных условиях возникает и гравитационный парадокс. Если повсюду в бесконечной Вселенной имеются тяготеющие массы и средняя плотность распределения их при переходе ко все бóльшим областям пространства не стремится к нулю достаточно быстро, то ньютонов потенциал тяготения от этих масс не имеет определ. конечного значения; абс. ускорения движения тел, вычисленные на основе ньютоновой теории, могут получаться неопределенными или неограниченно большими и т.п.

Из существования этих парадоксов нередко делались выводы о необходимости отказа от применения ко Вселенной известных нам законов физики или даже о необходимости отказа от самой идеи бесконечности Вселенной. Однако оба парадокса могут быть преодолены даже в рамках классич. физики, если только учесть специфику бесконечного. Для конечной области пространства средняя плотность вещества, равная нулю, означает пустоту, отсутствие вещества. Для бесконечной области возможно такое распределение, когда средняя плотность в нек-рой, как угодно большой, но конечной области сколь угодно велика (но конечна), и в то же время для всего бесконечного пространства она равна нулю. Идея подобной схемы распределения была высказана еще в 18 в.

Ламбертом и математически разработана Шарлье в 1908–22.

К числу классич. К. п. можно отнести также термодинамич. парадокс – вывод о неизбежности тепловой смерти Вселенной (см. также Энтропия).

Эти парадоксы, возникающие в рамках дорелятивистских представлений, не имеют места в релятивистской космологии. Гравитационный парадокс с математич. т. зр., по-видимому, обязан своим происхождением характеру уравнений поля ньютоновой теории тяготения (их линейности и эллиптичности). С физич. т. зр. это означает неучет теорией Ньютона нек-рых существ. черт поля тяготения, раскрываемых теорией Эйнштейна (в частности, конечной скорости распространения взаимодействия). Фотометрич. парадокс в принципе преодолевается уже в силу того, что Вселенная, с т. зр. теории относительности, не может быть статической – все ее составные части достаточно больших размеров должны испытывать деформацию (см. Красное смещение). О преодолении термодинамич. парадокса см. Тепловая смерть Вселенной.

К. п. прежде всего являются важным частным случаем физич. парадоксов, но им, несомненно, присуща также природа логич. парадоксов, поскольку они возникают в результате использования посылок, суждений и выводов, границы применимости к-рых на соответств. этапе развития науки еще не выяснены. Свойства движущейся материи бесконечно многообразны, но на каждом данном этапе развития науки мы исходим только из тех свойств и явлений, к-рые уже известны. Незнание нек-рых существ. свойств изв. явлений (напр., конечной скорости распространения взаимодействия в явлениях тяготения) или тех явлений, к-рые обнаруживаются лишь при переходе к большим масштабам (напр., явления "разбегания" галактик), как видно на примере гравитац. и фотометрич. парадоксов, и создает предпосылки для возникновения парадоксов. В конечном счете основу возникновения К. п. следует искать в специфике самого объекта космологии – Вселенной. Она бесконечна в пространстве – времени, и поэтому при распространении любых законов или условий на Вселенную в целом приходится считаться с противоречиями бесконечности, в частности с возможностью нарушения аксиомы "целое больше [своей правильной ] части" (см. также Бесконечность, Вселенная, Космология, Парадокс).

Значение К. п. для космологии – прежде всего эвристическое. К. п. сильно суживают круг возможных решений космологич. проблемы. В сущности уже из того простого факта, что ночью темно, следует, что Вселенная не может быть устроена как угодно: из всех мыслимых схем строения Вселенной в счет могут идти только те, к-рые свободны от фотометрического и др. К. п. В ходе развития космологии преодолеваются одни парадоксы и возникают другие; преодоление каждого из них означает шаг вперед в познании общих закономерностей строения Вселенной.

Лит.: Фесенков В. Г., Совр. представления о Вселенной, М.–Л., 1949, гл. 4; Πаренаго П. П., Курс звездной астрономии, 3 изд., М., 1954, §§ 36, 56; Зельманов А. Л., Нерелятивист. гравитац. парадокс и общая теория относительности, "Физико-матем. науки" (Научн. докл. высшей школы), 1958, 2; его же, Фотометрич. парадокс, БСЭ, 2 изд., т. 45; его же, Гравитац. парадокс, Физич. энциклопедич. словарь, т. 1; Ηаан Г. И., О совр. состоянии космологич. науки, § 2, в сб.: Вопросы космогонии, т. 6, М., 1958; Киппер Α. Я., О гравитац. парадоксе, там же, т. 8, М., 1962. См. также лит. при ст. Космология.

Г. Haaн. Таллин.

План­конспект урока астрономии
по теме:
«Конечность и бесконечность Вселенной ­ парадоксы космической космологии»
Предмет
Астрономия
Класс
10­11
Общая часть
Тема урока
Конечность и бесконечность Вселенной ­ парадоксы космической космологии
Цель и задачи урока
Цель как формулировка конечного результата урока: получить представление об уникальном объекте -
Вселенной в целом, узнать как решается вопрос о конечности или бесконечности Вселенной, о строении и масштабах
Вселенной о понятии космической космологии, особенности наблюдений, изучить строение и эволюцию Вселенной как
целого, рассмотреть решение задач на нахождение разрешающей способности, увеличения и светосила телескопа, о
парадоксах, связанных с этим, о теоретических положениях общей теории относительности, лежащих в основе
построения космологических моделей Вселенной.
Задачи как пути реализации цели урока:
­Обучающая: ввести понятия астрономии, как науке и основных разделах астрономии, объектах познания
астрономии: космических объектах, процессах и явлениях; методах астрономических исследований и их особенностях;
повторить, как формулируется закон всемирного тяготения, вспомнить, из каких объектов состоит Вселенная;
объяснить, как наукой доказывается связь закона всемирного тяготения с представлениями о конечности и
бесконечности Вселенной; изучить противоречия фотометрического парадокса; объяснить необходимость привлечения
общей теории относительности для построения модели Вселенной.
­Воспитывающая: историческая роль астрономии в формировании представления человека об окружающем мире и
развитии других наук, формирование научного мировоззрения учащихся в ходе знакомства с некоторыми философскими и
общенаучными идеями и понятиями (материальности, единства и познаваемости мира, пространственно­временными
масштабами и свойствами Вселенной, универсальностью действия физических законов во Вселенной), ­ с помощью закона
Хаббла вычислить с учащимися радиус метагалактики и выяснить расширяется или сжимается Вселенная;
Патриотическое воспитание при ознакомлении с ролью российской науки и техники в развитии астрономии и
космонавтики. Политехническое образование и трудовое воспитание при изложении сведений о практическом
применении астрономии и космонавтики.
­Развивающая: развитие познавательных интересов к предмету, наблюдательности, логического мышления путём
систематизации фактов, формирование мировоззрения, умений делать выводы, применять полученные знания для
объяснения явлений. Показать, что мысль человеческая всегда стремится к познанию неизвестного. Формирование умений

анализировать информацию, составлять классификационные схемы.
Оборудование к уроку, а также необходимые дополнительные материалы: презентация, иллюстрации,
таблицы и т.п.:
­компьютер с проектором, интерактивная доска, дополнительные материалы: презентация, сопровождающая по
материалу темы урока, видеофрагменты к уроку;
­комплект учебников по астрономии, дополнительная литература;
­таблицы: Метагалактика (наша Вселенная), Эволюция Вселенной;
­ воздушный шарик для иллюстрации расширения Вселенной;
­раздаточный материал для учащихся: проверочный тест по теме.
 Структура урока (план, отражающий этапы урока):
­Организационный этап;
­Мотивационный этап: начало параграфа (постановка проблемы);
­Этап изучения нового материала: материал, изложенный в учебнике + дополнительный материал и просмотр
учебно­познавательного видеофильма;
­Закрепление изученного материала;
­Рефлексия;
­Домашнее задание.
 Раскрытие содержания этапов урока:
Подготовка к уроку учащихся.
Отметить отсутствующих.
Ход урока.
Организационный этап
Астрономия – счастливая наука: она, по выражению французского ученого Араго, не нуждается в украшениях.
Достижения её настолько захватывающи, что не приходится прилагать особых забот для привлечения к ним внимания.
Однако наука о небе состоит не только из удивительных откровений и смелых теорий. В этой науке, как и в любой другой,
есть свои противоречия. С ними мы сегодня и познакомимся. Вспомним, как формулируется закон всемирного тяготения?
Из каких объектов состоит Вселенная? (Ответы учащихся).
Учащимся предлагается прочитайть стихотворение Самуила Маршака и проанализировать его строки.
Актуализация знаний

Только ночью видишь ты вселенную...
Только ночью видишь ты вселенную.
Тишина и темнота нужна,
Чтоб на эту встречу сокровенную,
Не закрыв лица, пришла она.
Вопросы для анализа стихотворения:
о чём размышлял человек, написавший эти строки? (почему только ночью можно увидеть Вселенную? Как может
Вселенная «закрыть свое лицо»?)
назовите способы для лучшего рассмотрения лика Вселенной
что возникает перед твоими глазами, когда ты читаешь эти строки?
слышится ли тебе музыка, когда ты читаешь эти строки? Какая музыка?
в какой ситуации ты мог захотеть прочитать эти строки?

Мотивационный этап.
Постановка проблемы (стр. 126, п.34)
«Астрономия изучает не только отдельные небесные тела и их группы: звёзды, планеты, скопления звёзд,
галактики и их скопления, объектом её изучения является Вселенная как единое целое. При изучении небесных тел мы
можем сравнивать их между собой, проследить их эволюцию. При изучении Вселенной мы этого делать не можем, так как
Вселенная уникальна, мы не можем посмотреть на неё со стороны и сравнить с другой Вселенной».
Изучение нового материала.
Ребята, сегодня мы работаем с параграфом №34 нашего учебника.
Какая тема сегодняшнего урока? (Конечность и бесконечность Вселенной – парадоксы классической космологии).
Какие задачи перед нами сегодня стоят? (Узнать, как связан закон Всемирного тяготения с представлениями о
конечности и бесконечности Вселенной, какие противоречия раскрывает фотометрический парадокс, почему необходимо
привлечение общей теории относительности для построения модели Вселенной?)
Внимательно читаем параграф, после его прочтения мы с вами заполним таблицы:
(время на чтение 15 минут, в это время вывод на интерактивную доску заготовок таблиц для заполнения).
Составьте свою Вселенную, используя свои представления и предложенные свойства
Свойства Вселенной
Аргументы
Конечна
Бесконечна
№
п/п
1.

2.
3.
Ограничена
Статична
Безгранична
Нестационарная
Определите основные свойства Вселенной
Конечна (ограничена сферой неподвижных звезд)
Бесконечна
Вселенная
Н.Коперник
Т.Браге
Согласно закону всемирного тяготения
И.Ньютон
А.Энштейн
Все вещество Вселенной за ограниченный промежуток времени
должно стянуться в единую тесную систему.
Вещество Вселенной под действие тяготения собирается
в некоторых ограниченных объемах – «островах»,
равномерно заполняющих Вселенную.
Этап изучения нового материала:
Просмотр фрагмента фильма 100 величайших открытий: Астрономия (5­я серия) об общей теории относительности и
расширении Вселенной. Рассказ­объяснение учителя с использованием мультимедийной презентации (за основу материал,
изложенный в учебнике, параграф 34). Просмотр видео https://www.youtube.com/watch?v=k5vbxdb­TpQ, чтение статьи из
Интернета: (используется мобильный компьютерный класс)
https://hi­news.ru/science/konechna­ili­beskonechna­
vselennaya.html
Таблицы для заполнения, после изучения параграфа (учащиеся озвучивают (написано курсивом), учитель заполняет
на компьютере):
Новое понятие
Космология
Фотометрический
парадокс
Определение, раскрытие понятия.
Раздел астрономии, изучающий строение и развитие (эволюцию) Вселенной в целом. (От греч.
космос – мир, Вселенная и логос – учение). Объясняет распределение галактик и их движение
(разбегание).
Противоречие между предположениями о конечности и бесконечности Вселенной.
Формулируется в виде вопрос: почему ночью небо темное? Если Вселенная бесконечна, значит
в ней бесконечное число звёзд, а если звёзды похожи на Солнце, то любой участок неба должен
быть таким же ярким, как Солнце, но этого нет. Если Вселенная конечна, то в ней было бы
конечное число звёзд и небо не было бы столь ярким. Но предположение о конечности
Вселенной противоречит равномерному распределению звёзд. Согласно теории тяготения
Ньютона, все звёзды в ограниченной Вселенной рано или поздно собрались бы в одном месте, но
этого не происходит.

Выступают учащиеся с небольшими сообщениями «Космология» и Фотометрический парадокс».
Учитель (презентация для наглядности). В зависимости от средней плотности вещества Вселенная должна либо
расширяться, либо сжиматься. При расширении Вселенной скорость разбегания галактик должна быть пропорциональна
расстоянию до них – вывод, подтвержденный Э.Хабблом открытием красного смещения в спектрах галактик. Характер
движения и геометрия Вселенной определяется критическим значением плотности вещества: ρкр= , где G­гравитационная
постоянная, Н=75 км/с*Мпк – постоянная Хаббла.
В небольших масштабах Вселенной применима теория тяготения Ньютона. Рассмотрим далекую галактику на
расстоянии R от нас (слайд). На ее движение оказывает притяжение только вещество внутри сферы этого радиуса. Масса
π 3. Галактика движется по закону Хаббла со
вещества внутри сферы радиусом R и плотностью
скоростью =Н*R. Если эта скорость меньше второй космической, то удаление галактики сменится приближением, т.е.
расширение Вселенной сменится сжатием. Если больше или равна – расширение Вселенной носит неограниченный
характер.
, равна М= *(4/3)R
υ
ρ
ρ
Согласно закону всемирного тяготения: Всё вещество Вселенной за ограниченный промежуток времени должно
стянуться в единую тесную систему. Вещество Вселенной под действие тяготения собирается в некоторых
ограниченных объемах – «островах», равномерно заполняющих Вселенную.
Закрепление изученного материала::
Теперь ребята, давайте посмотрим на наши таблицы и на задачи к уроку и ответим, все ли задачи выполнены? (Нет,
не все. Осталось ответить на вопрос – почему необходимо привлечение общей теории относительности для построения
модели Вселенной?). Что такое фотометрический парадокс? Что представляет собой общая теория относительности и
какое значение она имеет для астрономии?
Ответ: Общая теория относительности А.Энштейна обобщает теорию тяготения Ньютона для массивных тел и
скоростей движения вещества, сравнимых со скоростью света, накладывает определенные ограничения на геометрические
свойства пространства, которое уже нельзя считать евклидовым. Согласно теории А.Энштейна время не имеет абсолютного
характера, а движение и распределение материи в пространстве нельзя рассматривать в отрыве от геометрических свойств
пространства и времени. Данные знания будут нам нужны на следующем уроке для построения космологической модели
Вселенной.
Рефлексия:
Можно предложить учащимся оценить свою деятельность на уроке по пятиступенчатой шкале (шкала выводится на
экран):
1) Я ничего не достиг на уроке;
2) Я понял не всё, мне нужно подумать, изучить материал самостоятельно;
3) Я в целом понял всё, но у меня были затруднения;

4) Я всё понял, но не всё успел записать;
5) Я всё понял, всё успел сделать.
Ответ пишется на маленьких листочках и сдаётся учителю.
Домашнее задание
§ 34, решить задачу № 33, стр 131 учебника, привести ещё 2­3 примера парадоксов классической космологии, кроме
фотометрического парадокса, используя другие источники.

Дополнительный материал

:
Решение задач:
1. Первые грубые оценки постоянной Хаббла привели к ошибочному значению Н = 530 км/(с×Мпк). Как давно должно
было начаться расширение Вселенной при таком значении?
2. Действительно ли постоянная Хаббла постоянна во времени? Считая, что скорости галактик друг относительно
друга не меняются, найдите, чему будет равно Н через 6 млрд. лет. Современное значение Н принять равным 75 км/(с×Мпк).
3. Задача № 32, стр. 130 учебника.
4. Усреднённая плотность вещества во Вселенной
= 3×10­28 кг/м3. Рассчитайте критическое значение плотности
вещества и сравните его с усреднённой плотностью вещества во Вселенной. Проанализируйте полученный результат и
сделайте вывод о том, расширяется или сжимается Вселенная.
Вопросы:
1. Определить такие понятия темы, как космология, Вселенная, Метагалактика;
2. Определить содержание космологического принципа, фотометрического парадокса, гравитационного парадокса;
3. Установить связь закона всемирного тяготения с представлениями о конечности и бесконечности Вселенной;
4. Описать космологическую модель «горячей Вселенной».
5. Как классифицируются Галактики?
6. Сформулируйте Закон Хаббла. Чему равна постоянная Хаббла?
7. Сформулируйте закон Всемирного тяготения. Чему равна гравитационная постоянная?
8. В каких единицах измеряются расстояния до далеких объектов Вселенной. Какова связь пк, км и св.г.?
Эффе́кт До́плера - изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их
источника и/или движением приёмника.

Эффект Доплера для звуковых волн
Эффект Доплера для световых волн
пример
Результаты
наблюдения

Движение машины с включенной сиреной
Когда машина не
движется относительно
наблюдателя, тогда он слышит именно тот тон, к
оторый издаёт сирена. Но если машина будет
приближаться к наблюдателю, то частота звуков
ых волн увеличится, и наблюдатель услышит
более высокий тон, чем на самом деле издаёт си
рена. А когда машина проедет дальше и будет
уже отдаляться, а не приближаться, то наблюдат
ель услышит более низкий тон
(или красное смещение)
Движение далеких Галактик
Красное смещение для галактик было обнаружено
американским астрономом В. Слайфером в 1912-
1914; в 1929 Э. Хаббл открыл, что Красное смещение
для далёких галактик больше, чем для близких, и
возрастает приблизительно пропорционально
расстоянию (закон К. с., или закон Хаббла). В
результате красного смещения происходит
уменьшении энергии приходящих фотонов.
Вопросы для обсуждения:
1. Можно ли «слышать» и «видеть» эффект Доплера? Приведите примеры.
2. Почему линии в спектрах далеких галактик смещены в красную сторону?
3. Почему красное смещение, определенное по большому числу галактик, растет ступенчато с расстоянием?
4. Почему несколько ближайших галактик имеет фиолетовое смещение?
Ответы:
1. Акустический эффект Доплера можно слышать, как изменение тона звука свистка проносящегося мимо платформы
поезда. «Видеть» эффект можно, хотя бы в ванне или пруду. Периодически погружая палец в воду, чтобы на поверхности
образовались волны, равномерно перемещайте его в одном направлении. Следуя друг за другом, гребни волн в направлении
движения пальца будут сгущаться, т. е. длина волны станет меньше обычной, в направлении назад - больше.
2. Это явление получило название «метагалактическое красное смещение». Оно интерпретируется согласно принципу
Доплера как увеличение средних расстояний между галактиками. Причиной этого является, по современным воззрениям,
огромный взрыв, происшедший 10-20 млрд лет назад и приведший к разбеганию галактик.
3. Этот наблюдательный факт доказывает ячеистую структуру Метагалактики.
4. Пекулярные скорости этих галактик больше скоростей разбегания галактик.
Сформулируйте ответ на вопрос после рассмотрения содержания фотометрического и гравитационного парадоксов
(работа производится в группах; каждая группа изучает один из парадоксов, в дальнейшем один из представителей
группы пересказывает его суть, решение, а так же отвечает на поставленные вопросы).
Фотометрический парадокс (подробно изложен немецким ученым Генрихом Ольбресом в 1826 году): в бесконечной

Вселенной, заполненной звездами в хаотичном порядке, наблюдатель с Земли должен постоянно натыкаться взглядом на
поверхность звезды (яркость объекта не зависит от расстояния до него). В действительности этого нет.
Для объяснения парадокса Ольберс предположил, что в межзвездном пространстве имеется рассеянное вещество,
которое поглощает свет далеких звезд.
Вопросы для обсуждения:
1.Поясните невозможность объяснения фотометрического парадокса
наличием во Вселенной темной поглощающей материи.
2.Можно ли объяснить парадокс на основе существования красного смещения?
Если да, то как?
3.Поясните истинность высказывания советского космолога А.Л.
Зельманова, утверждавшего, что сжатие Вселенной будет происходить без
свидетелей.
Ответы:
1.
Хотя спустя столетие межзвездное поглощение света действительно
было обнаружено, оно не смогло разрешить фотометрический парадокс, т.к. сами
пылинки в безграничной и вечной Вселенной, однородно заполненной звездами,
нагрелись бы до температуры звездной поверхности и светились бы как звезды.
Фотометрический парадокс существует только в однородной и
расширяющейся Вселенной,
изотропной статической Вселенной. В теории
разработанной Александром Фридманом и Эдвином Хабблом, фотометрического
парадокса не возникает из­за существования красного смещения. В результате красного смещения происходит уменьшении
энергии приходящих фотонов.
2.
3. В результате фиолетового смещения происходит увеличении энергии приходящих фотонов и как следствие
тепловая смерть человечества.
Гравитационный парадокс (сформулирован в 1895г немецким астрономом Х. Зеелигером): пользуясь законом
Ньютона, в бесконечной Вселенной, равномерно заполненной веществом, нельзя однозначно рассчитать силу гравитации в
заданной точке. Если ее вычислять, суммируя силы, действующие на точку с массой m, которые создаются
концентрическими слоями с центром в этой же точке, то получится нуль. Если осуществлять расчет для концентрических
слоев с центром в другой точке, удаленной на расстояние г от данной, то сила тяготения окажется равной силе, с которой
шар радиусом г притягивает точку, расположенную на его поверхности.
Вопросы для обсуждения:
1. Какое противоречие рассматривает гравитационный парадокс?
2. Если гравитационный парадокс имеет место, то справедлив ли закон всемирного тяготения? Ответ поясните.
3. Выскажите свое мнение к возможным двум решениям парадокса.
Некоторые предложения по решению проблемы:

Конечная масса вещества. Проще всего предположить, что во Вселенной существует лишь конечное количество веще­
ства. Эту гипотезу рассматривал ещё Исаак Ньютон в письме Ричарду Бентли. Анализ показал, что подобный «звёздный ост­
ров» со временем, под действием взаимовлияния звёзд, либо соединится в одно тело, либо рассеется в бесконечной пустоте.
Современная трактовка. Ньютоновская теория тяготения, как выяснилось в начале XX века, неприменима для расчё­
та сильных полей тяготения. В общей теории относительности гравитационный парадокс отсутствует, поскольку сила тяго­
тения в ОТО есть локальное следствие неевклидовой геометрии, поэтому сила всегда однозначно определена и конечна.
Основы этой теории были заложены в 1916 г А. Эйнштейном (для частного случая статической Вселенной). В общем, виде
космологические решения были найдены А.А. Фридманом 1922 г, который показал, что однородная изотропная Вселенная
должна быть нестационарной.
Свойства нестационарной Вселенной (Метагалактики) заполнив пропуски в предложении (подготовленный текст
выдается каждому ученику, работая с текстом учебника, ученик заполняет пропуски):
 В основе модели нестационарной Вселенной лежит обнаружение красного смещения для далеких галактик.
 Расширение метагалактики: скорость удаления далеких объектов определяется законом Хаббла:
, где Н=72
rH 
. Использование закона Хаббла позволяет определить расстояние до далеких объектов и возраст Метагалактики:
км

Мпс
с
,
t M
r


H

13
910
1
H
. Теория расширяющейся метагалактики дает законы изменения температуры и плотности:
лет
T

10

102,1
t

K
,

5105,4

2
t
г
3
см
, t – время, выраженное в секундах.
 Химический состав Метагалактики: водород ­ около 75%, гелия – около 25%.
 Выполнение антропогенного принципа, согласно которому эволюция Метагалактики идет в направлении,
обуславливающем возникновение разумных существ.
ρ
плотности вещества (
Эта зависимость определяется значением критической плотности
 Дальнейшее поведение Метагалактики определяется ее средней плотностью: в зависимости от значения средней
) расширение может происходить неограниченно во времени или же со временем сменится сжатием.
. Поведения Метагалактики в будущем

3 2
H
кр 
G
8

неопределенно из­за наличия тёмной материи, существование которой сложно обнаружить по ее излучению и
включающей до 95 % от всего вещества, – черные дыры, маломассивные звезды малой светимости, нейтрино и т.д.

4.Может ли быть бесконечное расширение Вселенной?
5.Каких химических элементов больше всего во Вселенной и когда они образовались?

Ответы:

«Модель «горячей Вселенной»: в прошлом излучение и вещество эффективно взаимодействовали между собой, между
ними существовало термодинамическое взаимодействие. Температура вещества и излучения была одинаковой и высокой –
Вселенная была «горячей».
Вопросы для фронтального обсуждения:
1.Почему разбегаются галактики, хотя в то время, когда произошел Большой взрыв, их еще не существовало?
2.Почему Вселенная нестационарна?
3.Влияет ли космологическое расширение Метагалактики на расстояние между Землей и: а) Луной; б) центром
Галактики; в) галактикой М31 в созвездии Андромеды; г) центром местного сверхскопления галактик?
1. Галактики образовались из разлетающегося вещества и сохранили его импульс.
2. Основная сила в космосе - это гравитация, которая стремится собрать все вещество. Равновесие при действии
только сил тяготения невозможно. В зависимости от величины начальной скорости вещество может неограниченно
расширяться или расширяться с замедлением
3. В космологическом расширении не участвуют гравитационно­связанные системы (Солнечная система, галактика,
скопления галактик). Поэтому в этих случаях космологическое расширение не влияет на расстояния между Землей и
указанными объектами.
4. Если средняя плотность вещества Вселенной будет меньше критической плотности ркр= 3  10­27 кг/м3, то Вселенная
будет бесконечно расширяться. Современные оценки средней плотности видимого вещества дают значение р = 3 ­10­28
кг/м3. Учет скрытой массы может увеличить эту величину. Таким образом, вопрос о будущем Вселенной еще не решен.
5. По массе во Вселенной больше всего водорода (77,4%) и гелия (20,8%). Водород и гелий образовались через 5 минут
после начала Большого взрыва.
Примерное содержание таблицы «Этапы эволюции Вселенной»
Эры
Время от
«начала», с
Этапы эволюции
Температура, К Плотность, г/см3
Планковская
Рождение реликтовых гравитонов
?
?

Андронная
до 10
5
Граница применимости релятивистской теории
тяготения
Возникновение зарядовой ассиметрии
Аннигиляция нуклонов и антинуклонов
Лептонная
10
4
Граница применимости экспериментально проверенных
законов физики
Аннигиляция мезонов
Образование реликтового нейтрино
Излучения
Вещества
10

3
10
10
2
10
10
6
9
10
10
Аннигиляция электронов и позитронов
Образование первичного гелия
Отрыв реликтового излучения
Начало возникновения звезд и галактик
Современная эпоха
10
10
32
28
3*10
12
10
12
3*10
2*10
11
10
10
10
10
9
4*10
3
30
2,7
10
10
10
10
94
78
16
14
10
12
10
10
10
7
4
2
10
21
10
27
10
30