Парадокси
Всесвіту
Валерій Петров
Вступ
У космології
питання про кінцівки або нескінченність Всесвіту має велике значення:
якщо Всесвіт
скінченна, то, як показав Фрідман, вона не може перебувати в стаціонарному
стані і повинна або розширюватися, або стискуватися;
якщо ж
Всесвіт нескінченний, то будь-які 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 у наступному.
1. «У 1744г. швейцарський
астроном Ж. Ф. Шезо перший засумнівався в правильності подання про нескінченну
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 1823г.
«Контраргумент Олберса полягав у тому, що світло, що йде до нас від далеких зірок,
повинен послаблятися через поглинання в що знаходиться на його шляху речовині. Але в
такому випадку саме це речовина повинна нагрітися і яскраво світитися, як зірки ».
[2]. Проте так воно і є насправді! Згідно з сучасним
уявленнями, вакуум не є «ніщо», але являє собою «щось»,
що має цілком реальними фізичними властивостями. Тоді чому не
припустити, що світло взаємодіє з цим «щось» таким чином, що кожен
фотон світла при русі в це «щось» втрачає енергії 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 випромінюючого об'єкта - зорі, 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 нескінченного Всесвіту нескінченно, кількість
зірок, які спостерігаються 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 поверхня єдиної
зірки, що і спостерігається насправді.
2. У 1850р.
німецький фізик Р. Клаузіус «... прийшов до висновку, що в природі тепло 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. Згідно з сучасним
уявленнями, в «світлову енергію» і «теплоту» речовина перетворюється на
результаті термоядерних процесів, що йдуть в зірках. «Теплова смерть»
настане, як тільки вся речовина Всесвіту «згорить» у термоядерних реакціях.
Очевидно, що в нескінченній Всесвіту і запаси речовини також є
безкраї, отже, вся 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 на світло, а світло - в
речовина ». В даний час такі перетворення добре відомі: з одного
боку, речовина перетворюється на світ в результаті термоядерних реакцій, з
другий - фотони, тобто світло, за певних умов перетворюються на дві цілком
матеріальних частки - електрон і позитрон. Таким чином, у природі
здійснюється кругообіг речовини та енергії, що виключає «теплову смерть»
Всесвіту.
3. У 1895р.
німецький астроном Х. Зелігер «... прийшов до висновку, що уявлення 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 частинки за законом Ньютона
взаємно притягуються, то сила тяжіння, яка 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 порожній. Помістимо в довільну точку
простору пробне тіло A. Оточили це тіло речовиною щільності, що заповнює
куля 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 тій же щільності ... сферичні шари речовини не створюють сил
тяжіння в внутрішньої порожнини та додавання цих верств нічого не змінює, тобто
як і раніше рівнодіюча сила тяжіння для A дорівнює нулю. Продовжуючи процес
додатки шарів, ми приходимо в межах до нескінченного Всесвіту, рівномірно
заповненої матерією, в якій результуюча гравітаційна сила, що діє
на A, дорівнює нулю.
Однак
міркування можна проводити і інакше. Візьмемо знову однорідний шар радіусу R в
порожній Всесвіту. Помістимо наше тіло не в центр цієї кулі з тією ж щільністю
речовини, що й раніше, а на краю його. Тепер сила тяжіння, яка діє
на тіло A, буде дорівнює відповідно до закону Ньютона
F = GMm/R2,
де M - маса
кулі; m - маса пробного тіла A.
Будемо тепер
додавати сферичні шари речовини до кулі. Після того, як до цього шару
добавлена 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 однакової 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 нескінченного Всесвіту. Тільки теорія Ейнштейна дозволяє
розрахувати ці сили без будь-яких суперечностей ».
Протиріччя,
однак, відразу ж зникають, якщо ми згадаємо, що нескінченна Всесвіт - це не
те ж саме, що дуже велика:
в нескінченній
Всесвіту скільки шарів речовини ми б не додавали до кулі, за його межами
залишається ще нескінченно велика кількість речовини;
в нескінченній
Всесвіту шар будь-якого, скільки завгодно великого радіусу з пробним тілом на його
поверхні, завжди можна оточити сферою ще більшого радіусу таким чином,
що і кулю, і пробне тіло на його поверхні, опиняться всередині цієї нової сфери,
заповненої речовиною тій же 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 нескінченного Всесвіту, рівномірно заповненої речовиною, величина
сил тяжіння, що діють на пробне тіло, завжди буде дорівнює нулю. Іншими
словами, величина сил тяжіння, що створюються всім речовиною Всесвіту, в будь-якій
її точці дорівнює нулю. Однак якщо за межами кулі, на поверхні якого
лежить пробне тіло, немає речовини, тобто якщо вся речовина Всесвіту
зосереджено всередині цієї 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,
однорідно заповнений речовиною, неминуче буде стискатися під дію сил
тяжіння. Цей висновок випливає як із закону всесвітнього тяжіння Ньютона, так і
із загальної теорії відносності Ейнштейна: Всесвіт кінцевих розмірів не може
існувати, тому що під дією сил тяжіння її речовина повинна безперервно
стискатися до центру Всесвіту.
«Ньютон
розумів, що по його теорії тяжіння зірки повинні притягатися один до одного і
тому, здавалося б ... повинні впасти один на одного, наблизившись певною
точці ... Ньютон говорив, що так (тут і далі виділено мною - В.П.)
дійсно мало б бути, якщо б у нас було лише кінцеве число зірок
в кінцевій області простору. Але ... якщо число зірок нескінченно і вони більш
або менш рівномірно розподілені по нескінченного простору, то цього
ніколи не відбудеться, тому що 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, тому що по обидві сторони 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 розглянутої
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
нескінченного Всесвіту деяку кінцеву область, переконатися в тому, що в такій
кінцевої області зірки будуть падати у напрямку до центру цієї області,
після чого поширити цей висновок на нескінченну Всесвіт і заявити, що
існування такого 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. У
дійсності, тому що «у нескінченного Всесвіту будь-яку точку можна вважати
центром », кількість таких точок нескінченно. У напрямку до який же з цього
нескінченної кількості точок будуть рухатися зірки? І ще: якщо навіть раптом
знайдеться така точка, то нескінченна кількість зірок буде рухатися в напрямку
цієї точки нескінченне час і стиснення в цій точці всій нескінченного Всесвіту
відбудеться також за нескінченну час, тобто ніколи. Інша річ, якщо Всесвіт
скінченна. У такій Всесвіті 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
стиском. Таким чином, саме кінцева Всесвіт, тобто Всесвіт, розміри
якої в кожний 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, виражений словами «Хай буде світло!». Як написав
одного разу Ф. Енгельс, «Ми можемо крутитися і вивертатися як нам завгодно, але ...
ми кожного разу знову повертаємося ... до перст Божу »(Ф. Енгельс. Анти-Дюрінг).
Однак перст Божий не може бути предметом вивчення науки.
Висновок
Аналіз так
званих космологічних парадоксів дозволяє укласти наступне.
1. Світова
простір не є порожнім, але заповнено деякої середовищем, назвемо ми
це середовище ефіром або фізичним вакуумом. Під час руху в цьому середовищі фотони
втрачають енергію пропорційно до пройденого ним 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, що відповідає його абсолютній температурі, що й спостерігається в
дійсності. На частоті цього випромінювання, яке дійсно є
фоновим випромінюванням вакууму, все небо виявляється однаково яскравим, як це і
припускав Ж. Ф. Шезо.
2. Всупереч
припущенням Р. Клаузіуса, «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 кінцевий час. Саме тому
існування кінцевої Всесвіту виявляється неможливим.
3. У
нескінченного Всесвіту, розміри якої не можуть бути виражені ніяким, скільки
завгодно великим числом, рівномірно заповненої речовиною при ненульовий його
щільності, величина сил тяжіння, що діють в будь-якій точці Всесвіту, дорівнює
нуля - це і є справжній гравітаційний парадокс нескінченного Всесвіту.
Рівність нулю сил тяжіння в будь-якій точці нескінченного Всесвіту, рівномірно
заповненої речовиною, означає, що простір в такій Всесвіту всюди
є Евклідовим.
У кінцевій
Всесвіту, тобто у Всесвіті, розміри якої можуть бути виражені якимись,
хай і дуже великими числами, на пробне тіло, яке перебуває «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, яке 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
часу; нескінченна в тому сенсі, що ні розміри Всесвіту, ні кількість
укладеного 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
нез'ясовного розширення і подальшого розвитку деякого «доматеріального»
об'єкта, ні як результат Божественного творіння.
Треба думати,
тим не менше, що наведені вище аргументи здадуться прихильникам теорії Великого
вибуху абсолютно непереконливими. Як вважає відомий вчений Х. Альвена «Чим
менше існує наукових доказів, тим більш фанатичною робиться віра в
цей міф. Схоже на те, що у теперішній інтелектуальній атмосфері величезним
перевагою космології «Великого вибуху» служить те, що вона є
образою здорового глузду: credo, quia absurdum (вірю, бо абсурдно) »
(цитується за [4]). На жаль, з деяких пір «фанатична віра» в ту чи
іншу теорію єтрадицією: чим більше з'являється доказів наукової
неспроможності таких теорій, тим більш 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 кричатимуть:« Еразм посмів
битися з Лютером! »Тобто муха зі слоном. Якщо хто-небудь захоче приписати
це моєму слабоумства або через невігластво, то я з ним не стану сперечатися, тільки нехай
навіть і недоумкуватим - нехай навіть научения ради - дозволять посперечатися з тими, кого
Бог обдарував багатшими ... Можливо, моя думка мене обманює, а тому я хочу
бути співбесідником, а не суддею, дослідником, а не основоположником; я готовий
вчитися в кожного, хто пропонує щось більш правильне і достовірне ... Якщо
ж читач побачить, що оснащення мого твори дорівнює тій, яка є у
протилежного боку, тоді він сам зважить і розсудить, що має більше
значення: Чисте всіх освічених людей ..., всіх університетів ..., або ж
приватна думка того чи іншої людини ... Я знаю, у житті нерідко трапляється,
що більша частина перемагає кращу. Я знаю, що при дослідженні істини ніколи
не зайве додати свою старанність до того, що було зроблено раніше ».
Цими словами
ми і закінчимо наше коротке дослідження.
Список
літератури
Климишин І.А.
Релятивістська астрономія. М.: Наука, 1983.
Хокінг С. Від
М.: Світ, 1990.
Новиков І.Д.
Еволюція Всесвіту. М.: Наука, 1983.
Гінзбург В.Л. Про
фізики та астрофізики. Статті та виступи. М.: Наука, 1985.
