КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОЙ НАУЧНОЙ КОСМОЛОГИИ.

Самоорганизация в открытых системах

Согласно теории И.Пригожина Фундаментальным принципом неравновесной термодинамики самоорганизующихся систем служит, возникновение и усиление порядка через хаотичные флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются простыми физическими и химическими системами. В открытых системах достаточно сложных состоящих из большого числа взаимосвязей, благодаря усилению неравновесности, эти отклонения со временем возрастают и в конце концов приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и возникновению нового порядка. Этот процесс обычно характеризуют как принцип образования порядка через флуктуации или «Порядок из хаоса»– именно так называется самая знаменитая книга Пригожина (переведена на русский).

В заключение отметим успешное использование математического аппарата синергетики в биологии, вирусологии, социологии, экономике, политике для описания соответствующих явлений. Так, поведение толпы как самоорганизующейся системы, описывается аналогичными уравнениями, что и распространение вируса гриппа, фронта лесного пожара или изменение популяции особей в системе хищник – жертва.

[1] Слово «лазер» – аббревиатура слов английской фразы «Light Amplification by Stimulated Emission ofRadiation»

Отдельные эволюционные теории появились в конкретных науках еще в 19 веке (теория возникновения Солнечной системы Иммануила КантаиПьер Лапласа, теория геологической эволюции Чарлза Лайеляи эволюционная теория Чарлза Дарвина). Тем не менее, никакой глобальной эволюционной теории развития Вселенной до XX века не существовало. Классическое естествознание 19 в. ориентировалось преимущественно на изучение не динамики, а статики систем.

Первой в этом ряду была знаменитая теория, сформулированная в 1755 г. немецким философом Иммануилом Кантом. В 1755 он опубликовал трактат «Всеобщая естественная история и теория неба, или попытка истолковать строение и механистическое происхождение всего мироздания, исходя из принципов Ньютона», в котором Кант показывает, как из первоначального хаоса материальных частиц, творцом которых является бог, под влиянием материальных причин могла образоваться наша солнечная система.

Космогония – (греч kósmos - мир, goneia - рождение) – изучается происхождение и развитие отдельных космических тел и их систем, но не Вселенной в целом. Космогонию следует отличать от космологии – наука о Вселенной как о едином целом. Лаплас написал «Трактат о небесной механике» (1798–1825), где выдвинул гипотезу происхождения Солнечной системы из газового облака[1].

Впервые научно изучать то, что находится за пределами Солнечной системы, стал в конце 18 начале 19 века английский астроном немецкого происхождения Уильям Гершель (1738-1822) (первоначально его звали Фридрих Вильгельм). В начале 19 века он изучил и издал каталог всех видимых в то время туманностей и издал их каталог. Он установил, что Млечный путь – самая крупная видимая невооружённым глазом туманность, пересекающая весь небосвод – это видимый срез дискообразной звёздной системы, состоящей из огромного числа звёзд. Он же открыл движение Солнца относительно этого скопления. Гершель предположил, что остальные туманности удалённые звёздные острова подобные Млечному пути. Млечный (то есть молочный) путь на древнегреческом назывался Галактика (позднегреч. Galaktikos - молочный, млечный, от греческого gala - молоко). Согласно одному из древнегреческих мифов, рассерженный Зевс отнял от груди своей супруги Геры кормящегося младенца, и молоко из груди Геры вылилось на небо. Другой миф повествует о том, что бог Гермес приложил к груди Геры голодного младенца – Геркулеса, рожденного смертной женщиной от Зевса. Оскорбленная этим Гера сама оттолкнула младенца, и ее молоко хлынуло на небо. "Небесной рекой" называется Млечный Путь в китайских сказаниях. Вслед за Гершелем все крупные звёздные скопления во Вселенной стали называть галактиками.

Объект изучения космологии вся охваченная астрономическими наблюдениями область, называемой Метагалактикой(содержит около 1 млрд. галактик).

Для Ньютона вопрос о возрасте и развитии Вселенной имел очевидный ответ, заключённый в святом писании – Вселенная возникла несколько тысяч лет назад и была сотворена Богом. Эйнштейн в начале 20 века при создании своей общей теории относительности считал вопрос о возникновении и возрасте Вселенной бессмысленным – Вселенная вечна во времени. Однако дальнейшее использование другими учёными математического аппарата созданного Эйнштейном для описания пространственно-временных свойств материи дало другие ответы на вопрос о возникновении и развитии Вселенной.

Благодаря широкому распространению системных идей, представлений о самоорганизации открытых систем, с середины 20 века стали выдвигаться различные гипотезы и модели возникновения и эволюции Вселенной. Из обсуждения и доказательства этих гипотез выросла в современной космологии.

ФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ ПАРАДОКС ОЛЬБЕРСА,один из классических космологических парадоксов, сформулированный в 1823 немецким астрономом и врачом Генрихом Вильгельмом ОЛЬБЕРСОМ (1758–1840). Кратко этот парадокс звучит так: «Почему ночью небо темное?» Проблема состоит в том, что если в бесконечном пространстве Вселенной равномерно рассеяны излучающие звезды, то в любом направлении на луче нашего зрения обязательно должна оказаться какая-то звезда, а значит, вся поверхность неба должна представляться нам ослепительно яркой, подобной поверхности Солнца; в действительности же ночное небо темное. Ольберс предположил, что звёздная пыль поглощают свет, но в 20 веке это предположение было опровергнуто.

Позже немецкий астроном Хуго Зелигер (1849–1924) сформулировал другой космологический парадокс – гравитационный. Он заключается в том, что, согласно ньютоновской теории тяготения, в бесконечной Вселенной, однородно заполненной веществом, сила тяготения не имеет определенной конечной величины.

В рамках классической ньютоновской физики оба парадокса нашли разрешение в модели иерархического строения Вселенной, разработанной Карлом Вильгельмом ШАРЛЬЕ (1862–1934) – шведским профессором астрономии. В 1908 он опубликовал новую теорию строения Вселенной; в окончательном виде она была изложена Шарлье в 1922. Согласно этой теории, Вселенная представляет собой бесконечную совокупность входящих друг в друга систем все возрастающего порядка сложности: отдельные звезды образуют галактику первого порядка, совокупность галактик первого порядка образует галактику второго порядка (Метагалактику), совокупность галактик второго порядка образует галактику третьего порядка и т.д. до бесконечности. В иерархической Вселенной фотометрический и гравитационный парадоксы устраняются, если расстояния между равноправными системами достаточно велики по сравнению с их размерами, что приводит к непрерывному уменьшению средней плотности космической материи по мере перехода к системам более высокого порядка.

Американский астрономЭдвин Пауэлл ХАББЛ (1889–1953). Труды Хаббла положили начало современной внегалактической астрономии (астрономии об объектах вне нашей Галактики, то есть о других галактиках).

В 1925 он составил первую подробную систему классификации галактик по форме и другим особенностям. Показал, что галактики распределены в пространстве равномерно. Таким образом идея Шарлье об иерархической Вселенной не подтвердилась: изучив распределение далеких галактик, Эдвин Хаббл и другие астрономы доказали, что в больших масштабах Вселенная однородна и изотропна. Греч. isos – равный, Изо – первая часть составных слов, обозначающая одинаковость, равенство, подобие; греч tropos – свойство. Изотропный – одинаковость свойств объектов, пространства, вещества по всем направлениям.

Тогда некоторые исследователи решили, темноту ночного неба может объяснить ограничение возраста Вселенной: за время, прошедшее с начала возникновения мира, до нас дошел свет лишь от ограниченного числа галактик (порядка 10 млрд.); этого слишком мало, чтобы сделать ночное небо светлым, из этого выводили, что возраст Вселенной около 15 млрд. лет. Встал вопрос – как появилась Вселенная в том виде, в какой мы её наблюдаем, если она не вечна и не существовала всегда.

ФРИДМАН Александр Александрович (1888–1925), русский и советский математик и геофизик, один из создателей современной динамической метеорологии, создатель теории нестационарной Вселенной.

Для современников он был знаменит тем, что в 1925 г. с научными целями совершил полет на аэростате вместе с пилотом, достигнув рекордной по тому времени высоты 7400 м.

Фридман одним из первых освоил математический аппарат теории гравитации Эйнштейна и первым начал читать в университете курс общей теории относительности.

В конце 1920-х Ученый исследовал нестационарные однородные изотропные модели заполненным пылевидной материей с нулевым давлением, с пространством положительной кривизны (то есть замкнутой на саму себя подобно поверхности сферы, отрицательную кривизну имеет незамкнутая икривлённая поверхность называются гиперболоидом). Фридман выяснил типы поведения таких моделей, допускаемые уравнениями тяготения, причем модель стационарной Вселенной Эйнштейна оказалась частным случаем. Результаты Фридмана продемонстрировали, что уравнения Эйнштейна не приводят к единственной модели Вселенной. Из модели однородной изотропной Вселенной следует, что она должна расширяться, при этом А.А.Фридман предсказал, что вследствие расширения должно наблюдаться смещение (увеличение) длин электромагнитных волн от галактик в сторону красной части спектра - КРАСНОЕ СМЕЩЕНИЕ, пропорциональное расстоянию – чем дальше галактика, тем быстрее она удаляется и тем больше красное смещение её излучений принятых на Земле. Мы поэтому и не видим свет большинства удаляющихся от нас космических объектов, что долетающее до нас их излучение находится за видимой для нашего глаза частью электромагнитного спектра, – это уже радиоизлучение. Поэтому современная внегалактическая астрономия стала изучать ещё и так называемые радиогалактики, то есть галактики от которых до нас долетают только радиоволны, но не долетает световых волн.

Фридман математически доказал, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может быть стационарной, а должна периодически расширяться или сжиматься.

ЭФФЕКТ ДОПЛЕРА, изменение воспринимаемой частоты колебаний, обусловленное движением источника или приемника волн, либо и того и другого; впервые теоретически обоснован в 1842 австрийский физик и астроном Кристиан Доплером (1803–1853). Данный эффект особенно заметен в случае звуковых волн, примером чему может служить изменение воспринимаемой высоты тона от гудка проходящего мимо поезда.

Для упругих волн (звуковых, сейсмических) изменение частоты зависит от скорости и направления движения источника и наблюдателя относительно среды, в которой распространяется волна. Особый случай составляет распространение электромагнитных волн в свободном пространстве (вакууме). В этом случае изменение частоты определяется только скоростью и направлением движения источника и наблюдателя относительно друг друга, а не относительно среды распространения волн.

Эффект Доплера имеет важное значение в астрономии, гидролокации и радиолокации. В астрономии по доплеровскому сдвигу определенной частоты испускаемого света можно судить о скорости движения звезды вдоль линии ее наблюдения, так же можно изучать и вращения небесных тел.

Из общей теории относительности Эйнштейна среди многих выводов был сделан и важный космологический вывод о существовании так называемогоГравитационного красного смещение – красное смещение, обусловленное влиянием увеличением сильного гравитационного поля вследствие расширения самого пространства. Гравитационное поле массивного тела тормозит и удлиняет исходящие от него волны. Это открытие увеличило точность все космогонических и космологических расчетов.

В 1929 г. Хаббл обнаружил, что большинство галактик удаляется от нас, при этом между скоростями движения галактик и расстоянием до них имеется прямая линейная зависимость (закон Хаббла). Это открытие послужило наблюдательной основой концепции расширяющейся Вселенной. Свои исследования Хаббл подытожил в получивших широкую известность книгах «Мир туманностей» (1936). Доказательство разбегания галактик, подтверждало теорию Фридмана о расширении Вселенной. В связи с этим на первый план выдвигаются именно проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста по продолжительности этого расширения.