Создал первые модели нестационарной вселенной получив нестационарные решения уравнений ото эйнштейна (4 видео)

4. 2. 013 Расширяющаяся Вселенная Фридмана

4.2 Астрономия, космология

4.2.013 Расширяющаяся Вселенная Фридмана

Математик, механик, физик, геофизик, астроном, космолог, инженер, метеоролог, популяризатор теории относительности; профессор Пермского и Петроградского университетов; сотрудник Аэрологической обсерватории в Павловске под Петербургом; участник Первой мировой войны, летчик-наблюдатель, один из организаторов аэронавигационной и аэрологической службы на Северном и других фронтах; создатель и первый директор завода «Авиаприбор» в Москве; директор Главной геофизической обсерватории; главный редактор «Журнала геофизики и метеорологии»; лауреат премии им. В.И. Ленина (посмертно) — Александр Александрович Фридман (1888—1925) знаменит в мире как создатель теории нестационарной Вселенной, ставшей основным теоретическим развитием общей теории относительности А. Эйнштейна.

Один из важных разделов современной астрономии — космология — изучает свойства и эволюцию Вселенной в целом. Занимаются этой наукой математики, физики, астрономы, философы, богословы, а ее возникновение связано с жаждой человечества иметь полное описание Вселенной, в которой оно обитает.

По словам знаменитого астронома Э. Хаббла, «стремление к знаниям древнее истории. Оно не удовлетворено, его нельзя остановить». Из русских ученых наибольший вклад в развитие космологии внес А.А. Фридман. Собственно, с него и начался современный этап развития этой науки. Более того, научное сообщество считает открытие Фридманом расширяющейся Вселенной одним из великих интеллектуальных переворотов XX в.

Несколько слов об авторе этой теории.

Несмотря на то, что Фридман прожил всего 37 лет (он скончался от брюшного тифа в 1925 г.), Александр Александрович успел раскрыть в полную силу свой талант в нескольких науках.

Собраны еще не все публикации математика, разбросанные в редких изданиях и малодоступных журналах, тем не менее главные сочинения Фридмана можно сгруппировать по трем областям знания.

Во-первых, это фундаментальные труды ученого по физике атмосферы и по динамической метеорологии (геофизической гидродинамике). Разработав теорию атмосферных вихрей и порывистости ветра, теорию разрывов непрерывности в атмосфере, теорию атмосферной турбулентности, исследовав вертикальные течения и изменения температуры с высотой, выведя общее уравнение для определения вихря скорости, Фридман заложил основы теории изучения погоды и ее прогнозирования. Многие теоретические выводы математика нашли практическое применение в аэронавигации.

В другом важном направлении научной деятельности — гидромеханике и гидродинамике ученый исследовал кинематические свойства движения и вихри в сжимаемой жидкости, определил условия возможных движений этой жидкости при воздействии на нее определенных сил, построил основы статистической теории турбулентности и стал одним из создателей новой теории, изложенной в работе «Опыт гидромеханики сжимаемой жидкости» (1922).

Практическая метеорология и гидротехника из абстрактных уравнений в частных производных Фридмана по сию пору черпает нужные ей сведения.

И наконец, релятивистская космология. Устойчивый интерес к астрономии, проявленный Александром еще в школе, привел Фридмана к созданию космологической теории. Совмещая в начале 1920-х гг. работу в Главной физической обсерватории с преподаванием в ряде Петроградских вузов, математик увлекся общей теорией относительности (ОТО), обнародованной А. Эйнштейном в 1915—1916 гг., — одной из многочисленных теорий гравитации.

Эйнштейн, базируясь на работах своих предшественников, начиная с неэвклидовой геометрии Н.И. Лобачевского, рассмотрел гравитацию как проявление искривления пространства-времени, т.е. как некий геометрический эффект и отождествил гравитационное поле (поле тяготения) с тензорным метрическим полем или метрикой четырехмерного пространства-времени. Свои уравнения физик распространил и на описание Вселенной.

Несмотря на ряд революционных идей, Эйнштейн был верен традиционному представлению о стационарности Вселенной. Для этого ученый специально внес в уравнения т.н. космологическую постоянную — «антигравитационную» силу, которой он наделил структуру пространства-времени.

По мысли Эйнштейна, такой подход примирял непрерывное расширение пространства-времени (уравновешиваемое притяжением всей остальной материи) с вечностью и неизменностью Вселенной в пространстве и во времени. Однако получить стационарное решение уравнений ОТО Эйнштейну не удалось.

Фридман, став одним из первых апологетов и популяризаторов ОТО в нашей стране, тем не менее критически отнесся к идее стационарности Вселенной. Предположив, что Вселенная изотропна — т.е. одинакова в любом из наблюдаемых направлений, даже в случае наблюдений «со стороны», ученый предложил нестационарное решение уравнений ОТО, согласно которому Вселенная расширяется.

Основополагающий вывод новой концепции сводился к «началу времен» — к тому моменту, когда Вселенная имела ничтожно малый объем с бесконечной плотностью вещества. Тем самым Фридман доказал несостоятельность воззрений «отца» ОТО и использования им космологической постоянной.

Поначалу Эйнштейн резко возражал против теории русского ученого, пытался найти в ней противоречия, но, в конце концов, вынужден был признать ее справедливость.

Интерпретаторы теории расширяющейся Вселенной любят уподоблять модель Фридмана с разбегающимися друг от друга галактиками с надуваемым шариком, на котором нанесены точки. При надувании отрезки между любыми двумя точками увеличиваются, хотя ни одна из точек и не является центром расширения. Чем больше расстояние между точками, тем быстрее они разбегаются.

Этот теоретический вывод был подтвержден в 1929 г. открытием американского ученого Э. Хаббла т.н. красного смещения света от отдаленных галактик, свидетельствующего об их удалении от нашей галактики со скоростью, которая пропорциональна их расстоянию от нас.

Астрофизик католический священник Ж. Леметр, не зная о работах Фридмана, объединил ОТО с данными Хаббла и также пришел к выводу, что Вселенная расширяется во времени из состояния «первичного атома», из состояния т.н. «Большого Взрыва».

Нестационарная Вселенная до 1960-х гг. называлась именем бельгийского аббата, а после того, как из забвения было вызвано имя основоположника релятивистской космологии Фридмана получило имя модели Фридмана-Леметра.

В 1946—1956 гг. ученик Фридмана советский и американский физик-теоретик Г.А. Гамов уточнил концепцию «Большого взрыва и расширяющейся Вселенной»: предложил модель «горячей Вселенной» и разработал теорию образования химических элементов путем последовательного нейтронного захвата — нуклеосинтеза. В рамках этой теории было предсказано существование фонового микроволнового (реликтового) излучения, открытого в 1965 г.

P.S. По прочтении статьи у читателей возникли некоторые вопросы и предложения.

В теории расширения Вселенной заложен парадокс, который ставит Землю в Центр Вселенной. «Чем ни дальше от «НАС» находится объект тем у него большее смещение спектр. линий в сторону красного спектра.
НО почему от нас ,МЫ что «ПУП» Вселенной. (Никола Новиков).

Никакого парадокса нет: при наблюдении из ЛЮБОЙ точки вселенная будет (в больших масштабах) выглядеть одинаково. И выделенного центра как не было, так и нет.
Мне кажется, что можно внести уточнения.
1. Фридман вовсе не создал теории расширяющейся вселенной. Он лишь нашел решения для ОТО применительно к вселенной и показал, что они нестационарны, вселенная «обязана» либо расширяться, либо сжиматься.
2. Эйнштейн первоначально посчитал результаты Фридмана ошибочными, о чем и сообщил в одной из своих статей. Позже он признал правоту Фридмана и публично в научной периодике сообщил об этом.
3. Попытка ввести лямбда-член в уравнения ОТО была попыткой «спасти мир» и делалась именно под влиянием впечатления от результатов Фридмана.
4. Работы Гамова вовсе не являются развитием работ Эйнштейна или Фридмана: его результаты, если не ошибаюсь, могли быть получены на основе классических представлений, не прибегая к ОТО. Главное в них — «начальные условия», в результате которых реализовался тот мир, в котором и живем.
. Такие люди, как Фридман, заслуживают того, чтобы о них знали. тем более, что Фридман — наш соотечественник, фигура не только колоссального масштаба, но и трагическая в чем-то. (Алексей Степанов 5).

Содержание

Александр Александрович Фридман: теоретическая метеорология
Гипотетиза мультивселенной
Нестационарная модель Вселенной
🔍 Видео

Видео:Теория безначальной Вселенной.Скачать

Александр Александрович Фридман: теоретическая метеорология

Александр Александрович Фридман (1888–1925) родился в Санкт- Петербурге в семье музыкантов. Окончив с золотой медалью гимназию (1906), а затем Петербургский университет (1910), он стал ближайшим учеником знаменитого математика, академика Владимира Андреевича Стеклова. Первая половина научной жизни Фридмана целиком была отдана теоретической метеорологии.

С началом Первой мировой войны Фридман добровольно ушел на фронт — организовывал аэронавигационную и аэрологическую службы, в полетах с научной точностью проводил бомбометания. После войны был профессором Пермского университета, а затем учебных заведений Петрограда. С 1920 г. Фридман стал сотрудником Главной физической (с 1924 г. — геофизической) обсерватории, в 1925 г. был назначен ее директором. В 1924 г. он совершил героический полет на аэростате, поднявшись на высоту 7,5 км. Посмертно А. А. Фридману за работы в области метеорологии были присуждены премия Главнауки Наркомпроса СССР (1925) и Премия им. В. И. Ленина (1931).

С начала 1920-х гг. Фридмана захватила новая теория всемирного тяготения — общая теория относительности Эйнштейна (ОТО, 1916). Она ломала устоявшиеся представления в физике, утверждая новую, релятивистскую физическую картину мира, где пространство, время и материя оказывались неразрывно взаимосвязанными. Эйнштейн первым попытался в 1917 г. представить, какой в этой картине должна быть Вселенная, считая, что с общефилософской точки зрения она стационарна (т. е. в целом вечна и неизменна во времени).

Фридман же первым рискнул отказаться от извечного постулата о стационарности Вселенной и допустил возможность изменения радиуса кривизны пространства. В качестве наиболее общих свойств Вселенной он принял ее однородность и изотропность (во Вселенной нет ни выделенных областей, ни преимущественных направлений, как это провозгласил еще в XV в. немецкий философ Николай Кузанский). Заново проанализировав сложнейшую систему из десяти мировых уравнений, Фридман пришел к фундаментальному выводу: их решение ни при каких условиях не может быть единственным и дать однозначный ответ на вопрос о форме Вселенной, о ее конечности или бесконечности в пространстве. В итоге Фридман нашел новые решения уравнений ОТО — в виде трех возможных моделей нестационарной Вселенной.

Две модели описывали Вселенную с монотонно растущим радиусом кривизны: Вселенная расширялась в одном случае из точки, в другом — начиная с некоторого ненулевого объема. Время расширения ее до современного состояния Фридман условно назвал «временем, прошедшим от сотворения мира», отметив, что «это время может быть бесконечным». Третья модель представляла «периодическую» Вселенную: радиус кривизны ее пространства возрастал от нуля до некоторой величины за время, которое Фридман назвал «периодом мира», а затем опять уменьшался до нуля, Вселенная вновь сжималась в «точку» и т. д. Эйнштейновская модель стационарной Вселенной, как показал Фридман, представляла собой частный случай решения мировых уравнений ОТО. Результаты были опубликованы Фридманом в 1922 г. Правильность результатов Фридмана в 1923 г. признал А. Эйнштен. В 1923 г. Фридман первым поднял проблему происхождения мира и «возраста» нестационарной Вселенной, а в 1924 г. он рассмотрел вопрос о возможности мира с постоянной отрицательной кривизной (мир, где сумма углов треугольника всегда меньше 180°).

Дальнейшая история релятивистской космологии разворачивалась уже без Фридмана: не дожив до 38 лет, не дождавшись признания астрономов-космологов, для которых он был чистым математиком, ученый скончался от тифа, и его имя в космологии было надолго забыто. После открытия реликтового радиоизлучения — отголоска Большого Взрыва — теория нестационарной Вселенной вошла в разряд устоявшихся научных знаний.

Фридман полагал, что вся релятивистская теория может относиться лишь к наблюдаемой «вселенной астронома», отделяя это понятие от более широкого — «вселенной философа». Дальнейшее развитие космологии показало, что теория нестационарной Вселенной (которая до конца XX в. рассматривалась как единственно существующая — Universe) описывает свойства только нашей Вселенной — Метагалактики. Последняя является всего лишь ничтожной «каплей» общего, качественно несравненно более богатого материального мира, за которым в наши дни укрепилось наименование Multiverse (Многоликая Вселенная).

Видео:Относительность 19 - Уравнение ЭйнштейнаСкачать

Гипотетиза мультивселенной

Большой взрыв не был уникальным событием прошлого. Множество взрывов случилось прежде и несчетное число их еще произойдет в будущем. В мироздании существует огромное количество точек, в которых могут возникнуть особые условия, приводящие к взрыву и рождению новых вселенных, совсем не похожих на нашу.

Едва зародившись, «пузыри» будущих вселенных начинают расширяться со скоростью света. Но они очень редко сталкиваются, поскольку пространство между ними расширяется еще быстрее, образуя место для все новых и новых пузырей. Мы живем в одном из них и видим только малую его часть. Каждый пузырь является самодостаточной отдельной Вселенной, у которой нет связи с другими пузырями. В ходе вечной инфляции рождается бесконечное число таких пузырей-вселенных. Так что впереди нас ждет что-то совершенно неизвестное.

Ну, может, не нас, людей, а тех существ, которые появятся на Земле через миллионы лет.

Видео:Теория относительности Эйнштейна - о чём она? Простое объяснениеСкачать

Нестационарная модель Вселенной

Первые принципиально новые революционные космологические следствия общей теории относительности раскрыл выдающийся советский математик и физик-теоретик Александр Александрович Фридман (1888—1925).

Рис. 5 Александр Александрович Фридман

Основными уравнениями общей теории относительности являются «мировые уравнения» Эйнштейна, которые описывают геометрические свойства, или метрику, четырехмерного искривленного пространства — времени.

Решение их позволяет в принципе построить математическую модель Вселенной. Первую такую попытку предпринял сам Эйнштейн. Считая радиус кривизны пространства постоянным (т. е. исходя из предположения о стационарности Вселенной в целом, что представлялось наиболее разумным), он пришел к выводу, что Вселенная должна быть пространственно конечной и иметь форму четырехмерного цилиндра. В 1922—1924 гг. Фридман выступил с критикой выводов Эйнштейна. Он показал необоснованность его исходного постулата — о стационарности, неизменности во времени Вселенной. Проанализировав мировые уравнения, Фридман пришел к заключению, что их решение ни при каких условиях не может быть однозначным и не может дать ответа на вопрос о форме Вселенной, ее конечности или бесконечности [10].

Исходя из противоположного постулата — о возможном изменении радиуса кривизны мирового пространства во времени, Фридман нашел нестационарные решения «мировых уравнений». В качестве примера таких решений он построил три возможные модели Вселенной. В двух из них радиус кривизны пространства монотонно растет, и Вселенная расширяется (в одной модели — из точки, в другой — начиная с некоторого конечного объема). Третья модель рисовала картину пульсирующей Вселенной с периодически меняющимся радиусом кривизны.

Модель Фридмана опирается на представления об изотропном, однородном и нестационарном состоянии Вселенной:

Ш Изотропность указывает на то, что во Вселенной не существует каких-либо выделенных точек направлений, то есть ее свойства не зависят от направления.
Ш Однородность Вселенной характеризует распределение вещества в ней. Эту равномерность распределения вещества можно обосновать, подсчитывая число галактик до данной видимой звездной величины. Согласно наблюдениям, плотность вещества в видимой нами части пространства в среднем одинакова.
Ш Нестационарность означает, что Вселенная не может находиться в статичном, неизменном состоянии, а должна либо расширяться, либо сжиматься

В современной космологии три этих утверждения называются космологическими постулатами. Совокупность этих постулатов является основополагающим космологическим принципом. Космологический принцип непосредственно вытекает из постулатов общей теории относительности. А. Фридман, на базе выдвинутых им постулатов, создал модель строения Вселенной, в которой все галактики удаляются друг от друга. Эта модель похожа на равномерно раздувающийся резиновый шар, все точки пространства которого удаляются друг от друга. Расстояние между любыми двумя точками увеличивается, однако ни одну из них нельзя назвать центром расширения. Причем, чем больше расстояние между точками, тем быстрее они удаляются друг от друга. Сам Фридман рассматривал только одну модель строения Вселенной, в которой пространство изменяется по параболическому закону. То есть, вначале оно будет медленно расширяться, а затем, под влиянием сил гравитации — расширение сменится сжатием до первоначальных размеров. Его последователи показали, что существует как минимум три модели, для которых выполняются все три космологических постулата. Параболическая модель А. Фридмана — один из возможных вариантов. Несколько иное решение задачи нашел голландский астроном В. де Ситтер. Пространство Вселенной в его модели гиперболическое, то есть расширение Вселенной происходит с нарастающим ускорением. Скорость расширения настолько велика, что гравитационное воздействие не может препятствовать этому процессу. Он фактически предсказал расширение Вселенной. Третий вариант поведения Вселенной рассчитал бельгийский священник Ж. Леметр. В его модели Вселенная будет расширяться до бесконечности, однако темп расширения будет постоянно снижаться — эта зависимость носит логарифмический характер. В этом случае скорость расширения только-только достаточна, чтобы избежать сжатия до нуля. В первой модели пространство искривлено и замкнуто само на себя. Это сфера, поэтому размеры его конечны. Во второй модели пространство искривлено иначе, в форме гиперболического параболоида (или седла), пространство бесконечно. В третьей модели с критической скоростью расширения пространство плоское, и, следовательно, тоже бесконечное [11].

Первоначально эти гипотезы воспринимались как казус, в том числе и А. Эйнштейном. Однако, уже в 1926 году, произошло эпохальное событие в космологии, которое подтвердило правильность расчетов Фридмана — Де Ситтера — Леметра. Таким событием, оказавшим воздействие на построение всех существующих моделей Вселенной, явились работы американского астронома Эдвина П. Хаббла. В 1929 году при проведении наблюдений на крупнейшем в то время телескопе, он установил, что свет, идущий к Земле из далеких галактик, смещается в сторону длинноволновой части спектра. Это явление, получившее название «Эффект красного смещения» имеет в своей основе принцип, открытый известным физиком К. Доплером. Эффект Доплера говорит о том, что в спектре источника излучения, приближающегося к наблюдателю линии спектра смещены в коротковолновую (фиолетовую) сторону, в спектре источника, удаляющегося от наблюдателя спектральные линии смещены в красную (длинноволновую) сторону.

Эффект красного смещения свидетельствует об удалении галактик от наблюдателя. За исключением знаменитой Туманности Андромеды и нескольких, ближайших к нам звездных систем, все остальные галактики удаляются о нас. Более того, оказалось, что скорость разлета галактик не одинакова в различных частях Вселенной. Они удаляются от нас тем быстрее, чем дальше расположены. Иначе говоря, величина красного смещения оказалась пропорциональной расстоянию до источника излучения — такова строгая формулировка открытого закона Хаббла. Закономерная связь скорости удаления галактик с расстоянием до них описывается с помощью постоянной Хаббла (Н, км/сек на 1 мегапарсек расстояния).

где V — скорость удаления галактик, H — постоянная Хаббла, r — расстояние между ними.

Величина этой постоянной до сих пор окончательно не установлена. Различные ученые определяют ее в интервале 80 ± 17 км/ сек на каждый мегапарсек расстояния.

Явление красного смещения получило объяснение в феномене «разбегания галактик». В связи с этим, на первый план выдвигаются проблемы исследования расширения Вселенной и определения ее возраста по продолжительности этого расширения [12].

Большинство современных космологов понимают это расширение, как расширение действительно всей мыслимой и существующей Вселенной. К сожалению, ранняя смерть не позволила гениальному теоретику Вселенной А. А. Фридману, идеи которого более полувека направляют мысль космологов, самому принять участие в дальнейшем революционном развитии процесса обновления космологической картины мира. Опыт истории развития знаний о мире подсказывает, однако, что и современная релятивистская космологическая картина мира, будучи результатом экстраполяции на все мыслимое «целое» знаний об ограниченной части Вселенной, неизбежно неточна. Поэтому можно думать, что она скорее отражает свойства ограниченной части Вселенной (которую и можно назвать Метагалактикой), причем, возможно, лишь один из этапов ее развития (что допускает релятивистская космология и что может проясниться с уточнением средней плотности материи в Метагалактике). В настоящее время, однако, в этом пункте картина мира остается неопределенной.