Первая модель развивающейся Вселенной. И. Кант

⇐ ПредыдущаяСтр 29 из 33Следующая ⇒

Первую концепцию эволюционирующей Вселенной построил немецкий философ Иммануил Кант (1724-1804). Она изложена в его главном естественнонаучном сочинении " Всеобщая естественная история и теория неба, или попытка истолковать строение и механическое происхождение всего мироздания, исходя из принципов Ньютона" (1755). Из полного названия трактата Канта при ссылках на него, как правило, исключают пояснительную его часть, имеющую принципиальное значение, поскольку сам Кант видел свою теорию как развитие идей Ньютона. Обычно указывают название трактата в краткой формулировке: " Всеобщая естественная история и теория неба".

И. Кант родился в семье ученого-историка в Кенигсберге. Восьмилетнего Иммануила отдали в государственную гимназию – " коллегию Фридриха", где он учился на латинском отделении в течение восьми лет.

В 1740 г. шестнадцатилетний Кант поступает в университет родного города. В эти годы Кант увлекается механикой. Первой " пробой пера" стало научное сочинение Канта под названием " Мысли об истинной оценке живых сил". Напомним, что понятие " живая сила" использовалось для оценки количества движения. С точки зрения механики эта работа Канта оказалась теоретически ошибочной. Вместе с тем, молодой автор показал блестящее владение языком, чувствовалась его уверенность в себе.

В 1847 году, не защитив магистерской диссертации, Кант покидает Кенигсберг. Он путешествует, зарабатывает на жизнь частными уроками, работает учителем.

В 1754 г. Кант возвращается в Кенигсберг и публикует две статьи по космогонии, предшествующие " Всеобщей естественной истории и теории неба". Трактат вышел анонимно с посвящением Фридриху II, уже признанному в то время покровителю ученых. В этом отношении Фридрих II был полной противоположностью своего отца Фридриха – Вильгельма I, который экономил на науке. Он фактически прикрыл основанную Лейбницем в Берлине Академию. Вместе с тем Фридриху – Вильгельму I приписывают замечательный научный эксперимент: женить гвардейцев на девицах высокого роста для производства соответствующего потомства.

В 1755 г. И. Кант получает звание магистра и должность приват-доцента Кенигсберского университета. Кант читает курс географии, впервые в университете поставленный им как отдельный курс. Географические воззрения Канта, отражавшие, вместе с тем, уровень географических познаний того времени, подчас наивны. Так относительно Сибири Кант пишет: " Нигде на свете пьянство не развито так сильно, как здесь, " и далее: " Табак там не только курят, но и едят". " К ногам прикрепляют доски для хождения по снегу, его так много! " Видимо, живой интерес к Сибири был учтен при избрании И. Канта членом Петербургской Академии наук (1794 г.).

С 1756 г. Европа представляет для Фридриха II обширный театр военных действий. В 1757 г. в войну вступает Россия, 22 января 1858 г. русские войска вступили в Кенигсберг. Так в составе Российской империи появилась еще одна провинция. Кенигсберг присягнул на верность Елизавете Петровне, присягнул и Кант. Город пробудился от провинционализма. Кант читает лекции русским офицерам, среди которых вполне могли оказаться Г. Орлов и А. Суворов, бывшие в то время в Кенигсберге по делам службы. Кант пишет в 1858 г. Елизавете Петровне прошение об определении его на должность профессора. Однако это прошение осталось без ответа.

В1762 г. Семилетняя война пошла на убыль. Пруссия оказалась на гране краха. Но вскоре дела у Фридриха пошли на поправку. Умерла Елизавета Петровна, и на Российском престоле оказался Петр III – поклонник Фридриха. Россия вышла из войны и заключила мир с Пруссией, Фридрих получил назад все восточные земли, включая Кенигсберг.

Екатерина Великая уже не смогла вернуть потерянное и нашла компромисс: союз с Пруссией был расторгнут, но завоеванные земли пришлось Пруссии вернуть. Екатерина была избрана в Берлинскую Академию и стала первой (и до конца века единственной) женщиной-членом этой Академии.

Кант в эти годы весел, общителен, но пишет о своей ипохондрии, которая одолевает его. Поэтому он избегает одиночества, часто бывает на людях. Кант – душа общества, его охотно принимают, внимательно слушают. Женщины любили Канта, но не играли в его жизни заметной роли. Он остался холостяком. К 1762 г. относится увлечение Канта творчеством Ж. Ж. Руссо, его совершенно покорил вывод Руссо: " Прогресс науки и искусства, ничего не прибавив к нашему истинному благополучию, только испортил нравы".

В 1764 г. Канту сорок лет, он беден. Финансовое положение доцента заставляет его искать заработка, и Кант поступает на освободившееся место помощника библиотекаря в Королевском замке. Книгохранилище замка было огромным и насчитывало 16 тысяч томов. Переломным в своей философской научной карьере Кант считал 1769 год – год выхода книги Эйлера " Письма к немецкой принцессе". Об этой удивительной книге мы уже упоминали. Помимо решения физических и математических задач Эйлер в этой книге ставит и вопрос об отношении души к телу. По Эйлеру это отношение можно " помыслить", но нельзя созерцать. Кант повернул эту идею таким образом: существуют предметы, которые можно созерцать, но нельзя помыслить. К такой категории вещей Кант относил пространство.

В 1770 г. указом короля Кант был назначен профессором логики и метафизики, а с 1786 г. стал ректором Кенигсберского университета. Это были годы увлечения теорией познания, эстетикой, религией. Но Кант не забыл и своей первой любви – естествознании. В конце 90^х годов вышли 5 изданий его космогонической гипотезы. Именно естествознание привело Канта к философии. Последний свой лекционный курс Кант прочитал в 1796 г. Интересен перечень курсов, прочитанных Кантом. Вот сколько раз он прочитал отдельные курсы:

логика – 54,

метафизика – 49,

физическая география – 46,

этика – 46,

антропология – 24,

теоретическая физика – 20,

математика – 16,

право – 12,

энциклопедия философских наук – 11,

механика – 2,

педагогика – 1,

минералогия – 1,

теология – 1.

Широта научных интересов Канта поражает. Свое философское учение Кант в сжатом виде изложил в последней своей работе " Антропология" (1798 г.). Человек для Канта – это микрокосмос, " самый главный предмет в мире". Философия Канта увлекала Л. Н. Толстого, ему было близко кантовское понимание Бога как любви к людям.

Трактат Канта " Всеобщая естественная история и теория неба", к которому мы возвращаемся, был практически не известен долгие годы. Из-за банкротства издателя трактат вышел тиражом в несколько экземпляров. Лишь в 1791 г. друг и ученик Канта И. Гензихен опубликовал небулярную гипотезу в числе других выдержек из сочинения Канта с примечаниями самого автора. В этой же книге были опубликованы результаты исследований В. Гершеля, подтвердившие ряд идей Канта.

Сочинение Канта состоит из трех частей.

Первая часть посвящена космологическому аспекту гипотезы, то есть аспекту, охватившему строение всей Вселенной, и называется " Очерк системы неподвижных звезд, а так же о многочисленности подобных систем неподвижных звезд". Кант пишет о бесчисленности миров и систем, заполняющих Млечный Путь. " Мы видим первые члены непрерывного ряда миров и систем, и первая часть этой бесконечной прогрессии уже дает нам возможность представить, каково целое. Здесь нет конца, здесь бездна подлинной неизмеримости, перед которой бледнеет всякая способность человеческого понимания, хотя бы и подкрепленного математикой". Как следствие закона всемирного тяготения Кант делает вывод о существовании планет за Сатурном, о закономерности междупланетных расстояний.

Вторая часть трактата отражает космологическую гипотезу Канта, то есть гипотезу о рождении и развитии космических тел и систем, звезд и их скоплений, Солнечной системы и входящих в нее тел. Она называется " О первоначальном состоянии природы, образовании небесных тел, причинах их движения и связи их между собой как звеньев системы, в частности, в мире планет, а так же с точки зрения всего мироздания". Не соглашаясь с Ньютоном относительно " первого толчка", Кант ищет естественную причину возникновения движения во Вселенной. Выдвинув общую идею эволюции Вселенной, Кант развивает ее применительно к Солнечной системе. Он пытается обосновать гипотезу существования разряженной космической материи. Частицы этой первоматерии, отличающиеся плотностью, сгущаются. После образования " критической массы" начинается устойчивый процесс сгущения. Образуется центр притяжения. Падая на центральную массу, частицы материи разогревают ее. Так возникло Солнце. В результате " борения" притяжения и отталкивания образуется круговое движение, возникают планеты, вращающиеся вокруг Солнца. Элементы космологической теории Канта поражают современностью звучания. Так, например, Кант пишет о возможности разогрева недр планет под влиянием " смещения" веществ, о том, что звезды могут затухать. Первоматерия, по Канту, создана Богом в далеком прошлом. Таким образом, Вселенная имела начало, но не будет иметь конца. Процесс образования миров, начатый однажды, не прекратится, в результате чего из первоматерии (газово-пылевой смеси) возникнут новые звездные системы. Вселенная, заполненная материей, бесконечна в пространстве. Наше Солнце находится в старой части Вселенной, в ее центре. Более молодые части Вселенной располагаются по окраинам. Старые части Вселенной постепенно погибают, но на их месте зарождаются новые системы. Таким образом, Кант предполагает существование космических систем разных поколений, что по существу общепринято в современной науке.

Третья часть трактата Канта содержит первый в науке анализ проблемы жизни во Вселенной. Эта часть названа " Содержащая в себе основанный на закономерностях природы опыт сравнения обитателей различных планет". Образованные люди XVIII в. не сомневались, что небесные светила, включая Солнце, заселены. Однако Кант считал, что разумная жизнь существует в космосе не всюду, хотя большинство планет обитаемы. Кант полагал, что мыслящие существа тем прекраснее, чем дальше планета расположена от Солнца. Кант сомневался в том, что бессмертная душа остается в одной точке бесконечного пространства. Новые планеты, по мнению Канта, могут образовываться в том числе и как место для переселения душ.

Современника Канта выдающегося немецкого ученого Лапласа увлекли мысли Канта о Млечном Пути и эволюции Вселенной. Он предложил свою концепцию иерархической Вселенной, развивающую представления Канта. Концепция изложена Лапласом в сочинении " Космологические письма об устройстве мироздания" (1761 г.). Первая часть этого сочинения посвящена кометам. Лаплас разделял мнение о заселенности небесных тел, и считал, в частности, кометы подходящим средством для размещения там астрономических обсерваторий, вечно странствующих во Вселенной.

Во второй части " Космологических писем" Лаплас излагает свою космологическую теорию. Он пишет о существовании во Вселенной систем трех порядков: планет со спутниками, Солнца (и других звезд) с планетами, Млечного Пути и подобных туманностей как скоплений звезд. Все системы Лаплас считал находящимися в непрерывном движении. Свою теорию Лаплас строил на конкретных научных фактах и их анализе. Многие данные Лапласом научные прогнозы получили вскоре блестящее подтверждение: были открыты новые туманности (далекие " Млечные пути" ), открыто собственное вращение Солнца, обнаружены " двойные звезды" (термин принадлежит Лапласу). Некоторые прогнозы Лапласа подтвердились через столетия, в частности возможность существования сверхплотных космических тел.

В 1796 г. появилось сочинение Лапласа " Изложение системы мира", в которой он описал ньютоновскую картину Вселенной, но в примечаниях. Кратко (на трех страницах) выдвинул свою небулярную планетную космогоническую гипотезу. Если Кант допускал ошибку в космогонической теории, полагая возможным самопроизвольное начало вращения изолированной массы, то Лаплас предположил, что туманность изначально вращается. Лаплас указал на возможность образования под действием гравитационных сил планет и их спутников из первоначально разреженной туманности. Эта туманность, по Лапласу, вращалась вместе с формировавшимся в ее центре Солнцем и составляла как бы атмосферу Солнца. При охлаждении и сжатии от " атмосферы" отслаивались газовые кольца. В каждом из колец вещество стягивалось к случайной наиболее плотной массе, образуя планету. Отличие гипотез Канта и Лапласа заключается в предполагаемом начальном состоянии вещества. У Канта – это пыль, на первом этапе слипающаяся, у Лапласа – горячая газовая туманность. Обе гипотезы в XIX в. были объединены в " небулярную гипотезу Канта-Лапласа".

Таким образом, идея эволюции мегамира впервые появилась в конце XVIII в., и главным ее содержанием стало постепенное качественное изменение космической материи под воздействием сил гравитации.

Космологические парадоксы

При построении механической модели Вселенной Ньютон пришел к бесконечности Вселенной, но рассматривал (в переписке с английским теологом Р. Бентли, в 1692 – 1693 гг.) и альтернативный вариант – конечную Вселенную. Вывод о бесконечности Вселенной был сделан Ньютоном во избежании гравитационного парадокса. При допущении конечности Вселенной должен существовать центр гравитации, к которому притягиваются все тела. Через конечное время эти тела должны собраться в единую массу. Но бесконечность Вселенной приводит к другому гравитационному парадоксу, на который указали спустя столетие после появления модели Вселенной Ньютона немецкие ученые - математик К. Нейман и астроном Г. Зелигер. Суть парадокса заключается в том, что при бесконечной Вселенной гравитационные силы, воздействующие на тело, оказывается бесконечно большими, " раздирающими" это тело. В некотором случае эти силы по расчетам ученых оказывались неопределенными, и, соответственно, неопределенным оказывалось движение тела. Ничего похожего, как известно, не наблюдается. Таким образом, гравитационные представления, лежащие в основе Ньютоновской модели Вселенной " не позволяют" ей быть ни конечной, ни бесконечной.

Другим космологическим парадоксом является так называемый фотометрический парадокс. На этот парадокс указали швейцарский астроном Х. Шезо (в 1744 г.) и в более развитом виде, немецкий астроном В. Ольберс (в 1826 г.). По некоторым данным фотометрический парадокс был высказан впервые другом Ньютона Э. Галлеем в начале XVIII в. Смысл фотометрического парадокса заключается в том, что при бесконечной Вселенной, заполненной бесконечным числом звезд, небо должно быть равномерно светящимся.

После открытия второго начала термодинамики Кельвин и Клаузиус сформулировали парадокс " тепловой смерти" Вселенной. При всех превращениях различные виды энергии, в конечном счете, переходят в тепло. В соответствии со вторым началом термодинамики Вселенная будет стремиться к термодинамическому равновесию, поскольку тепло необратимо рассеивается. Все активные процессы в природе прекратятся, звезды погаснут, возникнет холодная пустыня. Гипотеза тепловой смерти Вселенной произвела огромное впечатление, поскольку в природе не наблюдались процессы, противоречащие второму началу термодинамики.

Идеи устранения космологических парадоксов оказывались противоречивыми. Так, предлагалось устранить гравитационный парадокс " раздирания" материи коррекцией закона Всемирного тяготения, введением в формулу закона экспонеционального множителя, зависящего от расстояния r: exp(- r), где - некоторая постоянная. При малых и r экспонента обращается в единицу, и закон тяготения действует в классической форме, в частности, в пределах Солнечной системы. При больших r гравитационная сила убывает. Фотометрический парадокс и парадокс " тепловой смерти" Вселенной такой коррекцией закона всемирного тяготения не устранялись.

Одновременное преодоление трудностей, возводимых гравитационным и фотометрическим парадоксом, предложил шведский астроном К. В. Л. Шарлье (1862 – 1934). Он развил иерархическую концепцию Ламберта и показал, что при бесконечной иерархии объектов во Вселенной по их размерам и соответствующему увеличению расстояний между объектами, гравитационный и фотометрический парадоксы устраняются, так как и гравитация и освещенность подчиняются закону обратных квадратов. Чем крупнее объект, тем дальше расстояние до него, и тем меньше гравитация и освещенность. Требования к иерархии оказались очень жесткими, предполагавшими практически детерминированное распределение тяготеющих масс во Вселенной.

Парадокс " тепловой смерти" Вселенной пытался преодолеть Л. Больцман, не сомневавшийся в бесконечности Вселенной в пространстве и во времени. Больцман предложил вероятностную трактовку второго начала термодинамики. Эта трактовка предполагала, что процессы, уменьшающие энтропию, возможны, но весьма маловероятны, то есть состояние хаоса более вероятно, чем состояние упорядоченности. По трактовке Больцмана Вселенная должна прибывать в состоянии тепловой смерти, однако в некоторых ее областях с весьма малой вероятностью возможны флуктуации (отклонения) от термодинамического равновесия, и тогда в этой области возникает островок жизни. К такой области принадлежит Земля. Вероятность подобного события, как подсчитали ученые, практически равна нулю.

Устранение космологических парадоксов стало возможным после отказа от классической Ньютоновской модели Вселенной. Древняя восточная мудрость гласит: " Чтобы познать истину, нужно выйти за ее пределы". Первый выход за пределы, определяемые Ньютоновской моделью Вселенной, был связан с отказом от евклидовой геометрии и признанием весьма необычных свойств пространства.

Вселенная Эйнштейна

Математика вводит нас в некий абстрактный мир, мир формул и геометрических построений, мир особых математических объектов. Связь между математическими и реальными объектами не всегда очевидна. Геометрия Евклида понятна. Она отражает те свойства пространства, с которыми мы сталкиваемся повседневно. У тел есть длина, ширина, высота. Особое место в геометрии Евклида занимает " постулат о параллельных" (V постулат), с помощью которого доказывается, например, что сумма углов плоского треугольника равна 180⁰. Этот постулат не может быть выведен из других, то есть его нельзя доказать как теорему. К этому выводу независимо друг от друга пришли Гаусс (1777 – 1855). Больяи (1802 - 1860) и Лобачевским (1792 – 1856). Оказалось, что можно построить непротиворечивую геометрию, избегая V постулат евклидовой геометрии, по которому через точку, лежащую вне прямой, можно провести только одну прямую, параллельную данной. В рамках новой геометрии в треугольнике сумма углов может быть и больше и меньше 180⁰. Так появилось понятие неевклидовой геометрии, которая также, как и геометрия Евклида, может служить для описания пространства.

В наиболее законченном виде вариант неевклидовой геометрии построил немецкий математик Бернхард Риман (1826 – 1866). В основе геометрии Римана лежит постулат, по которому через точку вне прямой нельзя провести ни одной прямой, параллельной данной, поскольку прямые определены как линии, проходящие через полюса сферы. В обычном понимании на поверхности сферы прямых вообще нет.

В геометрии Лобачевского и Больяи постулируется, что через точку, лежащую вне прямой, можно провести бесчисленное множество прямых, параллельных данной.

Именно взгляды на геометрические свойства пространства отличают в первую очередь модели Вселенной Ньютона и Эйнштейна. Если пространство Ньютона – это вместилище материи, то по Эйнштейну с исчезновением материи исчезает и пространство и время.

В общей теории относительности, как мы уже отмечали, гравитация проявляется в неевклидовом, Римановом пространстве. Тяготеющие массы искривляют вокруг себя пространство – время, то есть материя изменяет свойства пространства. Эйнштейн исходил из представления о стационарной Вселенной, что, однако, противоречит сегодняшним представлениям. Вселенная Эйнштейна заполнена галактиками, расстояние между которыми постоянно. Вселенная Эйнштейна бесконечна во времени (вечна), но конечна в пространстве в том смысле, что содержит большое, но ограниченное число звезд и звездных систем. В связи с пространственной конечностью Вселенной фотометрический парадокс к ней не применим. Гравитационный парадокс устранялся Эйнштейном введением " космического отталкивания", проявляющегося лишь на огромных расстояниях. Ускорение отталкивания а_отт, зависящее по Эйнштейну от расстояния r, определяется соотношением

а_отт= 3· 10^-58r, м/с².

Множитель 3· 10^-58, с^-2, весьма мал, и проявляется лишь при больших r. Эйнштейн предложил, что космическое отталкивание связано с гравитационным воздействием вакуума. В стационарной модели Вселенной Эйнштейна ускорение, создаваемое притяжением, должно уравновешиваться ускорением, создаваемым отталкиванием. Такая модель неустойчива, то есть теряет стабильность при малейшем возмущении. Кроме того, парадокс " тепловой смерти" довлел и над моделью Эйнштейна.

⇐ Предыдущая 24 25 26 27 282930 31 32 33 Следующая ⇒