Классические представления об эволюции Вселенной

Первое научно обоснованное представление о Вселенной, сложившееся в XVIII веке, было связано с механистической концепцией детерминизма, в соответствии с которой все процессы в природе подчиняются жестким причинно-следственным закономерностям, исключающим появление нового качества. Движение в природе - это непрерывная смена состояний, которая происходила, происходит и будет происходить вечно, в соответствии с законами классической механики. Ареной этих движений является бесконечная Вселенная, свойства которой в среднем одинаковы во всех направлениях. Эти фундаментальные атрибуты Вселенной - вечность, бесконечность, изотропность - как выяснилось впоследствии, тесно связаны с законами сохранения энергии, импульса и момента импульса (теорема Нетер).

Однако уже в XIX столетии стало ясно, что процессы во Вселенной развиваются необратимо, по сложным сценариям, которые никак не сводятся к обратимым движениям материальных точек по траекториям. В то время существовала одна единственная физическая теория, описывающая необратимое поведение объектов природы - статистическая термодинамика. Основные положения этой теории и были применены У.Томсоном и Р.Клаузиусом к Вселенной как к замкнутой системе, в результате чего появилась концепция «тепловой смерти» Вселенной. В соответствии с этим термодинамическим сценарием, современное состояние Вселенной является результатом гигантской флуктуации Вселенной, ее спонтанным, самопроизвольным «прыжком» в упорядоченное состояние, после чего началась медленная релаксация к хаотическому состоянию с максимальной энтропией, когда и вещество, и поле будут распределены в пространстве равномерно и прекратятся все процессы в природе. После этого возможны новые флуктуации, сопровождающиеся релаксацией к равновесию, и так до бесконечности.

Однако еще Ньютон обращал внимание, что вещество не может быть распределено с постоянной средней плотностью в сколь угодно большом объеме. Вот как он сам писал по этому поводу: «Если бы все вещество нашего Солнца и планет и все вещество Вселенной было равномерно рассеяно по всему небу и каждая частица обладала бы врожденным тяготением ко всему остальному и если бы все пространство, по которому было рассеяно это вещество, было бы тем не менее конечным, то все вещество на наружной стороне этого пространства благодаря своему тяготению стремилось бы ко всему веществу, находящемуся внутри пространства, и как следствие упало бы в середину полного пространства и образовало бы там одну большую сферическую массу. Однако если бы вещество было равномерно рассеяно по бесконечному пространству, оно никогда не собралось бы в одну массу; часть его могла бы собраться в одну массу, а часть - в другую, так что образовалось бы бесконечное число больших масс, разбросанных на больших расстояниях друг от друга по всему этому бесконечному пространству. Так могли образоваться Солнце и неподвижные звезды». Другими словами, вследствие гравитационной неустойчивости вещество с неизбежностью должно либо сжиматься как целое, либо разбиться на отдельные сгустки. С гравитационной неустойчивостью вещества связаны и несколько знаменитых парадоксов, иллюстрирующих невозможность стационарного равномерного распределения вещества в бесконечном пространстве.

Например, гравитационный парадокс Зелигера-Неймана констатирует, что если бы материя была распределена равномерно и изотропно в бесконечном пространстве, то один и тот же малый объем (рис. 9.1) можно было бы рассматривать и как находящийся в «центре» Вселенной (тогда результирующая гравитационная сила, действующая на него, была бы равна нулю), и как смещенный из «центра» Вселенной (и тогда на него должна была бы действовать сила тем большая, чем дальше от «центра» находится рассматриваемый объем). Эта неоднозначность указывает на неверную посылку в условии парадокса: материя не может быть равномерно распределена в бесконечном пространстве.

В другом парадоксе - парадоксе Ольберса - анализируется, какая должна быть светимость неба, если бы Вселенная была бесконечной, а средняя плотность звезд постоянной. Так как интенсивность света уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от источника до наблюдателя, а количество звезд увеличивается прямо пропорционально квадрату этого расстояния, то интенсивность света, пришедшего от звезд, находящихся на разных расстояниях от наблюдателя, должна быть одинаковой. Отсюда следует, что если Вселенная бесконечна, то небо должно казаться освещенным «ярче тысячи Солнц» (!). А так как этого нет, то и посылка парадокса неверна: средняя плотность звезд не может быть постоянной в бесконечной Вселенной1.

Центр бесконечной

Вселенной

а) б)

Рис. 9.1. Парадокс Зелигера-Неймана.

Один и тот же элемент Вселенной можно рассматривать как находящийся в центре бесконечной Вселенной (а) (и тогда результирующая сила, действующая на него, равна нулю), и как находящийся на произвольном расстоянии L от центра Вселенной (б) (и тогда на него действует гравитационная сила F со стороны всей массы, находящейся внутри сферы с центром в 0 и радиусом L).

Рассмотренными парадоксами конечно, не исчерпывается критика механистической и термодинамической картины мира. Можно констатировать, что к началу XX века неудовлетворительность существующих космологических концепций стала очевидной.