Modelos de um Universo estacionário. A singularidade do Universo não permite a verificação experimental das hipóteses apresentadas e a sua elevação ao nível de teorias, pelo que a evolução do Universo só pode ser considerada no quadro de modelos.

Após a criação da mecânica clássica, a imagem científica do mundo baseou-se nas ideias newtonianas sobre espaço, tempo e gravidade e descreveu uma constante no tempo, ou seja, Universo estacionário e infinito criado pelo Criador.

No século 20 surgiram novos fundamentos teóricos para a criação de novos modelos cosmológicos.

Em primeiro lugar, devemos mencionar o postulado cosmológico, segundo o qual as leis físicas estabelecidas numa parte limitada do Universo são válidas para todo o Universo. Além disso, a homogeneidade e isotropia da distribuição em larga escala da matéria no Universo é considerada um axioma. Neste caso, o modelo evolutivo deve corresponder ao chamado princípio antrópico, ou seja, prever a possibilidade de um observador (uma pessoa razoável) aparecer em um determinado estágio de evolução.

Visto que é a gravidade que determina a interação das massas a grandes distâncias, núcleo teórico da cosmologia do século XX. tornou-se a teoria relativista da gravidade e do espaço-tempo - a teoria geral da relatividade. De acordo com esta teoria, a distribuição e o movimento da matéria determinam as propriedades geométricas do espaço-tempo e, ao mesmo tempo, dependem delas. O campo gravitacional se manifesta como uma “curvatura” do espaço-tempo. No primeiro modelo cosmológico de Einstein, criado com base na relatividade geral em 1916, o Universo também é estacionário. É ilimitado, mas fechado e tem dimensões finitas. O espaço se fecha sobre si mesmo.

Modelos de Friedman de um Universo não estacionário. O modelo de Universo estacionário de Einstein foi refutado nas obras do cientista russo A.A. Friedman (1888 - 1925), que em 1922 mostrou que o espaço curvo não pode ser estacionário: deve expandir-se ou contrair-se. São possíveis três modelos diferentes de mudanças no raio de curvatura do Universo, dependendo da densidade média da matéria nele contida, sendo que em dois deles o Universo se expande infinitamente, e no terceiro, o raio de curvatura muda periodicamente (o Universo pulsa).

Embora a descoberta de E. Hubble da lei da dependência da velocidade de remoção das galáxias da distância até elas tenha confirmado a expansão do Universo, atualmente, uma comparação da densidade da matéria estimada experimentalmente com o valor crítico deste parâmetro, que determina a transição da expansão para a pulsação, não permite selecionar de forma inequívoca um cenário para evolução posterior. Esses dois valores revelaram-se próximos, mas os dados experimentais não eram suficientemente confiáveis.

A expansão do Universo é atualmente um facto bem fundamentado e geralmente aceite que nos permite estimar a idade do Universo. De acordo com as estimativas mais comuns, são 10 18 s (18 bilhões de anos). Portanto, os modelos modernos assumem um “começo” do Universo. Como começou sua evolução?

Modelo de um Universo quente. A base das ideias modernas sobre os estágios iniciais da evolução do Universo é o modelo do “Universo quente”, ou “Big Bang”, cujas bases foram lançadas na década de 40 do século XX. Cientista russo trabalhando nos EUA, G.A. Gammov (1904 – 1968). Na versão mais simples deste modelo, parece que o Universo surgiu espontaneamente como resultado de uma explosão de um estado superdenso e superquente com curvatura infinita do espaço (estado de singularidade). O “quente” do estado singular inicial é caracterizado pela predominância da radiação eletromagnética nele sobre a matéria. Isto é confirmado pela descoberta experimental em 1965 de “radiação relíquia” eletromagnética isotrópica pelos astrofísicos americanos Penzias (nascido em 1933) e Wilson (nascido em 1936). As teorias físicas modernas permitem descrever a evolução da matéria a partir do momento t= 10 -43 segundos. Os momentos iniciais da evolução do Universo ainda estão atrás da barreira física. Só a partir do momento t= 10 -10 s após o Big Bang, nossas ideias sobre o estado da matéria no Universo primordial e os processos que ocorrem nele podem ser testadas experimentalmente e descritas teoricamente.

À medida que o Universo se expande, a densidade da matéria diminui e a temperatura cai. Nesse caso, ocorrem processos de transformações qualitativas de partículas de matéria. Entre 10 e 10 s, a matéria consiste em quarks, léptons e fótons livres (ver seção III). À medida que o Universo esfria, hádrons são formados e então aparecem núcleos de elementos leves - isótopos de hidrogênio, hélio, lítio. A síntese dos núcleos de hélio pára no momento t= 3 minutos. Somente depois de centenas de milhares de anos os núcleos se combinam com os elétrons para formar átomos de hidrogênio e hélio, e a partir desse momento a substância deixa de interagir com a radiação eletromagnética. A radiação “relíquia” surgiu precisamente durante este período. Quando o tamanho do Universo era cerca de 100 vezes menor do que na era atual, aglomerados de gás surgiram de heterogeneidades de hidrogênio e gás hélio, que se fragmentaram e levaram ao surgimento de estrelas e galáxias.

A questão da exclusividade do Universo como objeto da cosmologia permanece em aberto. Junto com o ponto de vista difundido de que todo o Universo é a nossa Metagalaxia, há uma opinião oposta de que o Universo pode consistir em muitas metagaláxias, e a ideia da singularidade do Universo é historicamente relativa, determinada pelo nível da ciência e da prática.

Hipótese de um modelo multifolhas do Universo

Prefácio do autor do site: Para a atenção dos leitores do site “Conhecimento é Poder”, oferecemos fragmentos do capítulo 29 do livro “Memórias” de Andrei Dmitrievich Sakharov. O académico Sakharov fala sobre o trabalho no campo da cosmologia, que realizou depois de começar a envolver-se ativamente em atividades de direitos humanos - em particular, durante o exílio de Gorky. Este material é de indiscutível interesse no tema “O Universo”, discutido neste capítulo do nosso site. Conheceremos a hipótese de um modelo multifolhas do Universo e outros problemas da cosmologia e da física. ...E, claro, vamos lembrar do nosso passado trágico recente.

Acadêmico Andrei Dmitrievich SAKHAROV (1921-1989).

Em Moscou, na década de 70, e em Gorky, continuei minhas tentativas de estudar física e cosmologia. Durante esses anos não consegui apresentar ideias significativamente novas e continuei a desenvolver aquelas direções que já eram apresentadas em meus trabalhos dos anos 60 (e descritas na primeira parte deste livro). Este é provavelmente o destino da maioria dos cientistas quando atingem um determinado limite de idade. Porém, não perco a esperança de que talvez algo mais “brilha” para mim. Ao mesmo tempo, devo dizer que a simples observação do processo científico, do qual você mesmo não participa, mas sabe o que é o quê, traz profunda alegria interior. Nesse sentido, “não sou ganancioso”.

Em 1974 fiz e em 1975 publiquei um artigo no qual desenvolvi a ideia de uma Lagrangiana zero do campo gravitacional, bem como os métodos de cálculo que havia utilizado em trabalhos anteriores. Ao mesmo tempo, descobri que cheguei ao método proposto há muitos anos por Vladimir Aleksandrovich Fok e depois por Julian Schwinger. Porém, minha conclusão e o próprio caminho de construção, os métodos foram completamente diferentes. Infelizmente, não pude enviar meu trabalho para Fok - ele morreu naquele momento.

Posteriormente, descobri alguns erros em meu artigo. Deixou sem esclarecimento a questão de saber se a “gravidade induzida” (o termo moderno usado em vez do termo “zero Lagrangiano”) dá o sinal correto da constante gravitacional em qualquer uma das opções que considerei.<...>

Três obras – uma publicada antes da minha expulsão e duas depois da minha expulsão – são dedicadas a problemas cosmológicos. No primeiro artigo, discuto os mecanismos da assimetria bariônica. De algum interesse, talvez, sejam as considerações gerais sobre a cinética das reações que levam à assimetria bariônica do Universo. No entanto, especificamente neste trabalho, raciocino dentro da estrutura da minha antiga suposição sobre a existência de uma lei de conservação “combinada” (a soma dos números de quarks e léptons é conservada). Já escrevi na primeira parte das minhas memórias como cheguei a esta ideia e porque agora a considero errada. No geral, esta parte do trabalho me parece malsucedida. Gosto muito mais da parte do trabalho onde escrevo sobre modelo multifolhas do Universo . Esta é uma suposição que a expansão cosmológica do Universo é substituída pela compressão, depois uma nova expansão de tal forma que os ciclos de compressão - expansão se repetem um número infinito de vezes. Esses modelos cosmológicos há muito atraem a atenção. Diferentes autores os chamaram "pulsante" ou "oscilante" modelos do Universo. Eu gosto mais do termo "modelo multifolhas" . Parece mais expressivo, mais condizente com o significado emocional e filosófico do grandioso quadro da repetida repetição dos ciclos da existência.

Enquanto a conservação foi assumida, o modelo multifolhas encontrou, no entanto, uma dificuldade intransponível decorrente de uma das leis fundamentais da natureza – a segunda lei da termodinâmica.

Retiro. Na termodinâmica, é introduzida uma certa característica do estado dos corpos, chamada. Certa vez, meu pai se lembrou de um antigo livro de ciência popular chamado “A Rainha do Mundo e Sua Sombra”. (Infelizmente, esqueci quem é o autor deste livro.) A rainha é, claro, energia, e a sombra é entropia. Ao contrário da energia, para a qual existe uma lei de conservação, para a entropia a segunda lei da termodinâmica estabelece a lei do aumento (mais precisamente, da não diminuição). Os processos nos quais a entropia total dos corpos não muda são chamados (considerados) reversíveis. Um exemplo de processo reversível é o movimento mecânico sem atrito. Os processos reversíveis são uma abstração, um caso limite de processos irreversíveis acompanhados por um aumento na entropia total dos corpos (durante o atrito, transferência de calor, etc.). Matematicamente, a entropia é definida como uma quantidade cujo aumento é igual ao influxo de calor dividido pela temperatura absoluta (presume-se adicionalmente - mais precisamente, segue dos princípios gerais - que a entropia na temperatura do zero absoluto e a entropia do vácuo são iguais para zero).

Exemplo numérico para maior clareza. Um certo corpo com temperatura de 200 graus transfere 400 calorias durante a troca de calor para um segundo corpo com temperatura de 100 graus. A entropia do primeiro corpo diminuiu 400/200, ou seja, em 2 unidades, e a entropia do segundo corpo aumentou em 4 unidades; A entropia total aumentou 2 unidades, de acordo com o requisito da segunda lei. Observe que este resultado é consequência do fato de o calor ser transferido de um corpo mais quente para um mais frio.

Um aumento na entropia total durante processos de desequilíbrio leva, em última análise, ao aquecimento da substância. Voltemo-nos para a cosmologia, para os modelos multifolhas. Se assumirmos que o número de bárions é fixo, então a entropia por bárion aumentará indefinidamente. A substância aquecerá indefinidamente a cada ciclo, ou seja, as condições do Universo não se repetirão!

A dificuldade é eliminada se abandonarmos a suposição de conservação da carga bariônica e considerarmos, de acordo com minha ideia de 1966 e seu subsequente desenvolvimento por muitos outros autores, que a carga bariônica surge da "entropia" (isto é, matéria quente neutra) nos estágios iniciais da expansão cosmológica do Universo. Neste caso, o número de bárions formados é proporcional à entropia em cada ciclo de expansão-compressão, ou seja, as condições para a evolução da matéria e a formação das formas estruturais podem ser aproximadamente as mesmas em cada ciclo.

Cunhei pela primeira vez o termo “modelo multifolhas” em um artigo de 1969. Nos meus artigos recentes utilizo o mesmo termo num sentido ligeiramente diferente; Menciono isso aqui para evitar mal-entendidos.

O primeiro dos três últimos artigos (1979) examinou um modelo no qual o espaço é considerado plano em média. Supõe-se também que a constante cosmológica de Einstein não é zero e é negativa (embora muito pequena em valor absoluto). Neste caso, como mostram as equações da teoria da gravidade de Einstein, a expansão cosmológica inevitavelmente dá lugar à compressão. Além disso, cada ciclo repete completamente o anterior em termos de características médias. É importante que o modelo seja espacialmente plano. Junto com a geometria plana (geometria euclidiana), os dois trabalhos a seguir também são dedicados à consideração da geometria de Lobachevsky e da geometria de uma hiperesfera (um análogo tridimensional de uma esfera bidimensional). Nestes casos, porém, surge outro problema. Um aumento na entropia leva a um aumento no raio do Universo nos momentos correspondentes de cada ciclo. Extrapolando para o passado, descobrimos que cada ciclo dado poderia ter sido precedido apenas por um número finito de ciclos.

Na cosmologia “padrão” (de uma folha) há um problema: o que existia antes do momento de densidade máxima? Em cosmologias de múltiplas folhas (exceto no caso de um modelo espacialmente plano), esse problema não pode ser evitado - a questão é transferida para o momento do início da expansão do primeiro ciclo. Pode-se considerar que o início da expansão do primeiro ciclo ou, no caso do modelo padrão, o único ciclo é o Momento da Criação do Mundo e, portanto, a questão do que aconteceu antes disso está além do âmbito da investigação científica. No entanto, talvez tão - ou, na minha opinião, mais - justificada e frutífera seja a abordagem que permite a investigação científica ilimitada do mundo material e do espaço-tempo. Ao mesmo tempo, aparentemente não há lugar para o Ato da Criação, mas o conceito religioso básico do significado divino do Ser não é afetado pela ciência e está além de suas fronteiras.

Tenho conhecimento de duas hipóteses alternativas relacionadas ao problema em discussão. Uma delas, parece-me, foi expressa por mim pela primeira vez em 1966 e foi objeto de uma série de esclarecimentos em trabalhos subsequentes. Esta é a hipótese do “giro da seta do tempo”. Está intimamente relacionado ao chamado problema de reversibilidade.

Como já escrevi, não existem processos completamente reversíveis na natureza. Fricção, transferência de calor, emissão de luz, reações químicas, processos vitais são caracterizados pela irreversibilidade, uma diferença marcante entre o passado e o futuro. Se filmarmos algum processo irreversível e depois reproduzirmos o filme na direção oposta, veremos na tela algo que não pode acontecer na realidade (por exemplo, um volante girando por inércia aumenta sua velocidade de rotação e os rolamentos esfriam). Quantitativamente, a irreversibilidade se expressa em um aumento monotônico da entropia. Ao mesmo tempo, os átomos, elétrons, núcleos atômicos, etc. que fazem parte de todos os corpos. mova-se de acordo com as leis da mecânica (quântica, mas isso não tem importância aqui), que são completamente reversíveis no tempo (na teoria quântica de campos - com reflexão simultânea do CP, veja na primeira parte). A assimetria das duas direções do tempo (a presença da “flecha do tempo”, como se costuma dizer) com a simetria das equações do movimento há muito atrai a atenção dos criadores da mecânica estatística. A discussão desta questão começou nas últimas décadas do século passado e foi por vezes bastante acalorada. A solução que mais ou menos satisfez a todos foi a hipótese de que a assimetria se devia às condições iniciais de movimento e à posição de todos os átomos e campos “no passado infinitamente distante”. Estas condições iniciais devem ser “aleatórias” em algum sentido bem definido.

Como sugeri (em 1966 e mais explicitamente em 1980), em teorias cosmológicas que têm um ponto designado no tempo, essas condições iniciais aleatórias deveriam ser atribuídas não ao passado infinitamente distante (t -> - ∞), mas a este ponto selecionado (t = 0).

Então, automaticamente, neste ponto, a entropia tem um valor mínimo e, ao avançar ou retroceder no tempo, a entropia aumenta. Isso é o que chamei de “a virada da flecha do tempo”. Visto que quando a seta do tempo gira, todos os processos, incluindo os processos informativos (incluindo os processos vitais), se invertem, não surgem paradoxos. As ideias acima sobre a reversão da flecha do tempo, até onde eu sei, não receberam reconhecimento no mundo científico. Mas eles me parecem interessantes.

A rotação da flecha do tempo restaura a simetria das duas direções do tempo inerentes às equações de movimento na imagem cosmológica do mundo!

Em 1966-1967 Presumi que no ponto de viragem da seta do tempo ocorre a reflexão do CPT. Essa suposição foi um dos pontos de partida do meu trabalho sobre a assimetria bariônica. Apresentarei aqui outra hipótese (Kirzhnitz, Linde, Guth, Turner e outros tiveram uma mão; só tenho aqui a observação de que há um giro da flecha do tempo).

As teorias modernas assumem que o vácuo pode existir em vários estados: estável, com densidade de energia igual a zero com grande precisão; e instável, possuindo uma enorme densidade de energia positiva (constante cosmológica efetiva). O último estado é às vezes chamado de "falso vácuo".

Uma das soluções para as equações da relatividade geral para tais teorias é a seguinte. O Universo está fechado, ou seja, em cada momento representa uma “hiperesfera” de volume finito (uma hiperesfera é um análogo tridimensional da superfície bidimensional de uma esfera; uma hiperesfera pode ser imaginada “incorporada” no espaço euclidiano quadridimensional, assim como um espaço bidimensional esfera dimensional está “incorporada” no espaço tridimensional). O raio da hiperesfera tem um valor finito mínimo em algum momento (vamos denotá-lo como t = 0) e aumenta com a distância deste ponto, tanto para frente quanto para trás no tempo. A entropia é zero para um falso vácuo (como para qualquer vácuo em geral) e ao se afastar do ponto t = 0 para frente ou para trás no tempo, aumenta devido ao decaimento do falso vácuo, transformando-se em um estado estável de vácuo verdadeiro . Assim, no ponto t = 0 a seta do tempo gira (mas não há simetria cosmológica CPT, que requer compressão infinita no ponto de reflexão). Assim como no caso da simetria CPT, todas as cargas conservadas aqui também são iguais a zero (por uma razão trivial - em t = 0 existe um estado de vácuo). Portanto, neste caso também é necessário assumir a ocorrência dinâmica da assimetria bariônica observada, causada pela violação da invariância do CP.

Uma hipótese alternativa sobre a pré-história do Universo é que na verdade não existe um ou dois Universos (como - em certo sentido da palavra - na hipótese do giro da flecha do tempo), mas muitos radicalmente diferentes uns dos outros e surgindo de algum espaço “primário” (ou de suas partículas constituintes; esta pode ser apenas uma maneira diferente de dizer isso). Outros Universos e o espaço primário, se faz sentido falar sobre isso, podem, em particular, ter, em comparação com o “nosso” Universo, um número diferente de dimensões espaciais e temporais “macroscópicas” - coordenadas (no nosso Universo - três espaciais e uma dimensão temporal; em Em outros Universos tudo pode ser diferente!) Peço que não prestem atenção especial ao adjetivo “macroscópico” colocado entre aspas. Está associada à hipótese da “compactação”, segundo a qual a maioria das dimensões são compactificadas, ou seja, fechado sobre si mesmo em uma escala muito pequena.

Estrutura do “Mega-Universo”

Supõe-se que não há conexão causal entre diferentes Universos. Isto é precisamente o que justifica a sua interpretação como Universos separados. Eu chamo essa estrutura grandiosa de “Mega Universo”. Vários autores discutiram variações de tais hipóteses. Em particular, a hipótese de nascimentos múltiplos de universos fechados (aproximadamente hiperesféricos) é defendida em uma de suas obras por Ya.B. Zeldovich.

As ideias do Mega Universo são extremamente interessantes. Talvez a verdade esteja precisamente nesta direção. Para mim, em algumas destas construções existe, no entanto, uma ambiguidade de natureza algo técnica. É bastante aceitável supor que as condições nas diferentes regiões do espaço sejam completamente diferentes. Mas as leis da natureza devem necessariamente ser as mesmas em todo lugar e sempre. A natureza não pode ser como a Rainha de Alice no País das Maravilhas de Carroll, que mudou arbitrariamente as regras do jogo de croquet. A existência não é um jogo. Minhas dúvidas dizem respeito às hipóteses que permitem uma ruptura na continuidade do espaço-tempo. Esses processos são aceitáveis? Não são elas uma violação das leis da natureza nos seus pontos de ruptura, e não das “condições de ser”? Repito, não tenho a certeza de que estas preocupações sejam válidas; Talvez, novamente, como na questão da conservação do número de férmions, eu esteja partindo de um ponto de vista muito estreito. Além disso, hipóteses onde o nascimento de Universos ocorre sem quebra de continuidade são bastante concebíveis.

A suposição de que o nascimento espontâneo de muitos, e talvez um número infinito de Universos que diferem em seus parâmetros, e que o Universo que nos rodeia se distingue entre muitos mundos precisamente pela condição para o surgimento da vida e da inteligência, é chamada de “princípio antrópico”. ”(AP). Zeldovich escreve que a primeira consideração de AP que ele conhece no contexto de um Universo em expansão pertence a Idlis (1958). No conceito de Universo multifolhas, o princípio antrópico também pode desempenhar um papel, mas para a escolha entre ciclos sucessivos ou suas regiões. Esta possibilidade é discutida no meu trabalho “Múltiplos Modelos do Universo”. Uma das dificuldades dos modelos de múltiplas folhas é que a formação de “buracos negros” e sua fusão quebram tanto a simetria no estágio de compressão que não está completamente claro se as condições do próximo ciclo são adequadas para a formação de sistemas altamente organizados. estruturas. Por outro lado, em ciclos suficientemente longos ocorrem os processos de decaimento bárion e evaporação do buraco negro, levando à suavização de todas as heterogeneidades de densidade. Presumo que a ação combinada destes dois mecanismos – a formação de buracos negros e o alinhamento de heterogeneidades – conduz a uma mudança sucessiva de ciclos “mais suaves” e mais “perturbados”. Nosso ciclo deveria ser precedido por um ciclo “suave” durante o qual nenhum buraco negro se formou. Para ser mais específico, podemos considerar um Universo fechado com um “falso” vácuo no ponto de viragem da seta do tempo. A constante cosmológica neste modelo pode ser considerada igual a zero; a mudança da expansão para a compressão ocorre simplesmente devido à atração mútua da matéria comum. A duração dos ciclos aumenta devido ao aumento da entropia a cada ciclo e ultrapassa qualquer número (tende ao infinito), de modo que as condições para o decaimento dos prótons e a evaporação dos “buracos negros” sejam atendidas.

Os modelos multileaf fornecem uma resposta ao chamado paradoxo dos grandes números (outra explicação possível é a hipótese de Guth et al., que envolve uma longa fase de “inflação”, ver Capítulo 18).

Um planeta na periferia de um aglomerado estelar globular distante. Artista © Don Dixon

Por que o número total de prótons e fótons num Universo de volume finito é tão grande, embora finito? E outra forma desta questão, relativa à versão “aberta”, é por que o número de partículas é tão grande naquela região do mundo infinito de Lobachevsky, cujo volume é da ordem de A 3 (A é o raio de curvatura )?

A resposta dada pelo modelo multileaf é muito simples. Supõe-se que muitos ciclos já passaram desde t = 0; durante cada ciclo, a entropia (isto é, o número de fótons) aumentou e, consequentemente, um excesso crescente de bárions foi gerado em cada ciclo. A razão entre o número de bárions e o número de fótons em cada ciclo é constante, pois é determinada pela dinâmica dos estágios iniciais da expansão do Universo em um determinado ciclo. O número total de ciclos desde t = 0 é tal que o número observado de fótons e bárions é obtido. Como seu número cresce exponencialmente, para o número necessário de ciclos nem conseguiremos um valor tão grande.

Um subproduto do meu trabalho de 1982 é uma fórmula para a probabilidade de coalescência gravitacional de buracos negros (foi usada a estimativa do livro de Zeldovich e Novikov).

Outra possibilidade intrigante, ou melhor, um sonho, está associada aos modelos multifolhas. Talvez uma mente altamente organizada, desenvolvendo bilhões de bilhões de anos durante um ciclo, encontre uma maneira de transmitir de forma codificada algumas das partes mais valiosas da informação que possui aos seus herdeiros em ciclos subsequentes, separados deste ciclo no tempo por um período de estado superdenso?.. Analogia - transmissão pelos seres vivos de geração em geração de informação genética, “comprimida” e codificada nos cromossomos do núcleo de uma célula fecundada. Esta possibilidade, claro, é absolutamente fantástica, e não me atrevi a escrever sobre ela em artigos científicos, mas nas páginas deste livro me dei liberdade. Mas, independentemente desse sonho, a hipótese de um modelo multifolhas do Universo parece-me importante em uma visão de mundo filosófica.

Caros visitantes!

Seu trabalho está desativado JavaScript. Habilite os scripts em seu navegador e todas as funcionalidades do site serão abertas para você!

Você sabia que o Universo que observamos tem limites bastante definidos? Estamos acostumados a associar o Universo a algo infinito e incompreensível. No entanto, a ciência moderna, quando questionada sobre o “infinito” do Universo, oferece uma resposta completamente diferente a uma questão tão “óbvia”.

De acordo com os conceitos modernos, o tamanho do Universo observável é de aproximadamente 45,7 bilhões de anos-luz (ou 14,6 gigaparsecs). Mas o que esses números significam?

A primeira pergunta que vem à mente de uma pessoa comum é como o Universo pode não ser infinito? Pareceria indiscutível que o recipiente de tudo o que existe ao nosso redor não deveria ter limites. Se esses limites existem, o que são exatamente?

Digamos que algum astronauta chegue aos limites do Universo. O que ele verá na frente dele? Uma parede sólida? Barreira de fogo? E o que está por trás disso – o vazio? Outro Universo? Mas será que o vazio ou outro Universo pode significar que estamos na fronteira do universo? Afinal, isso não significa que não haja “nada” ali. O vazio e outro Universo também são “alguma coisa”. Mas o Universo é algo que contém absolutamente tudo “alguma coisa”.

Chegamos a uma contradição absoluta. Acontece que a fronteira do Universo deve esconder de nós algo que não deveria existir. Ou a fronteira do Universo deveria isolar “tudo” de “alguma coisa”, mas esse “algo” também deveria fazer parte de “tudo”. Em geral, um absurdo completo. Então, como podem os cientistas declarar o tamanho, a massa e até a idade limites do nosso Universo? Estes valores, embora inimaginavelmente grandes, ainda são finitos. A ciência discute com o óbvio? Para entender isso, vamos primeiro traçar como as pessoas chegaram à nossa compreensão moderna do Universo.

Expandindo os limites

Desde tempos imemoriais, as pessoas estão interessadas em saber como é o mundo ao seu redor. Não há necessidade de dar exemplos dos três pilares e de outras tentativas dos antigos de explicar o universo. Via de regra, no final tudo se resumia ao fato de que a base de todas as coisas é a superfície da Terra. Mesmo nos tempos da antiguidade e da Idade Média, quando os astrônomos tinham amplo conhecimento das leis do movimento planetário ao longo da esfera celeste “fixa”, a Terra permaneceu o centro do Universo.

Naturalmente, mesmo na Grécia Antiga havia quem acreditasse que a Terra gira em torno do Sol. Houve quem falasse dos muitos mundos e do infinito do Universo. Mas justificações construtivas para estas teorias surgiram apenas na viragem da revolução científica.

No século 16, o astrônomo polonês Nicolaus Copernicus fez o primeiro grande avanço no conhecimento do Universo. Ele provou firmemente que a Terra é apenas um dos planetas que gira em torno do Sol. Tal sistema simplificou muito a explicação de um movimento tão complexo e intrincado dos planetas na esfera celeste. No caso de uma Terra estacionária, os astrónomos tiveram de inventar todo o tipo de teorias inteligentes para explicar este comportamento dos planetas. Por outro lado, se a Terra for aceita como em movimento, então uma explicação para tais movimentos intrincados surge naturalmente. Assim, um novo paradigma chamado “heliocentrismo” tomou conta da astronomia.

Muitos sóis

No entanto, mesmo depois disso, os astrónomos continuaram a limitar o Universo à “esfera de estrelas fixas”. Até o século 19, eles não conseguiam estimar a distância até as estrelas. Durante vários séculos, os astrónomos tentaram, sem sucesso, detectar desvios na posição das estrelas em relação ao movimento orbital da Terra (paralaxes anuais). Os instrumentos da época não permitiam medições tão precisas.

Finalmente, em 1837, o astrônomo russo-alemão Vasily Struve mediu a paralaxe. Isso marcou um novo passo na compreensão da escala do espaço. Agora os cientistas poderiam dizer com segurança que as estrelas são semelhanças distantes com o Sol. E nossa luminária não é mais o centro de tudo, mas um “residente” igual de um aglomerado estelar sem fim.

Os astrônomos chegaram ainda mais perto de compreender a escala do Universo, porque as distâncias até as estrelas revelaram-se verdadeiramente monstruosas. Até o tamanho das órbitas dos planetas parecia insignificante em comparação. A seguir foi necessário entender como as estrelas estão concentradas.

Muitas Vias Lácteas

O famoso filósofo Immanuel Kant antecipou os fundamentos da compreensão moderna da estrutura em grande escala do Universo em 1755. Ele levantou a hipótese de que a Via Láctea é um enorme aglomerado de estrelas em rotação. Por sua vez, muitas das nebulosas observadas também são “vias lácteas” - galáxias mais distantes. Apesar disso, até o século 20, os astrônomos acreditavam que todas as nebulosas eram fontes de formação de estrelas e faziam parte da Via Láctea.

A situação mudou quando os astrônomos aprenderam a medir distâncias entre galáxias usando. A luminosidade absoluta das estrelas deste tipo depende estritamente do período de sua variabilidade. Ao comparar sua luminosidade absoluta com a visível, é possível determinar a distância até eles com alta precisão. Este método foi desenvolvido no início do século 20 por Einar Hertzschrung e Harlow Scelpi. Graças a ele, o astrônomo soviético Ernst Epic, em 1922, determinou a distância até Andrômeda, que acabou sendo uma ordem de magnitude maior que o tamanho da Via Láctea.

Edwin Hubble deu continuidade à iniciativa da Epic. Ao medir o brilho das Cefeidas noutras galáxias, ele mediu a sua distância e comparou-a com o desvio para o vermelho nos seus espectros. Assim, em 1929, ele desenvolveu sua famosa lei. Seu trabalho refutou definitivamente a visão estabelecida de que a Via Láctea é o limite do Universo. Agora era uma das muitas galáxias que já haviam sido consideradas parte dela. A hipótese de Kant foi confirmada quase dois séculos após o seu desenvolvimento.

Posteriormente, a conexão descoberta pelo Hubble entre a distância de uma galáxia a um observador em relação à velocidade de sua remoção dele permitiu traçar um quadro completo da estrutura em grande escala do Universo. Descobriu-se que as galáxias eram apenas uma parte insignificante disso. Eles se conectaram em clusters, clusters em superaglomerados. Por sua vez, os superaglomerados formam as maiores estruturas conhecidas no Universo – fios e paredes. Estas estruturas, adjacentes a enormes supervazios (), constituem a estrutura de grande escala do Universo atualmente conhecido.

Infinito aparente

Do exposto, conclui-se que, em apenas alguns séculos, a ciência passou gradualmente do geocentrismo para uma compreensão moderna do Universo. No entanto, isto não responde por que limitamos o Universo hoje. Afinal, até agora falávamos apenas da escala do espaço, e não da sua própria natureza.

A primeira pessoa que decidiu provar a infinidade do Universo foi Isaac Newton. Tendo descoberto a lei da gravitação universal, ele acreditava que se o espaço fosse finito, todos os seus corpos mais cedo ou mais tarde se fundiriam em um único todo. Antes dele, se alguém expressava a ideia do infinito do Universo, era exclusivamente de forma filosófica. Sem qualquer base científica. Um exemplo disso é Giordano Bruno. A propósito, como Kant, ele estava muitos séculos à frente da ciência. Ele foi o primeiro a declarar que as estrelas são sóis distantes e que os planetas também giram em torno delas.

Parece que o próprio facto do infinito é bastante justificado e óbvio, mas os momentos decisivos da ciência do século XX abalaram esta “verdade”.

Universo Estacionário

O primeiro passo significativo para o desenvolvimento de um modelo moderno do Universo foi dado por Albert Einstein. O famoso físico apresentou seu modelo de Universo estacionário em 1917. Este modelo baseava-se na teoria geral da relatividade, que ele havia desenvolvido um ano antes. Segundo seu modelo, o Universo é infinito no tempo e finito no espaço. Mas, como observado anteriormente, de acordo com Newton, um Universo com tamanho finito deve entrar em colapso. Para fazer isso, Einstein introduziu uma constante cosmológica que compensava a atração gravitacional de objetos distantes.

Por mais paradoxal que possa parecer, Einstein não limitou a própria finitude do Universo. Na sua opinião, o Universo é uma concha fechada de uma hiperesfera. Uma analogia é a superfície de uma esfera tridimensional comum, por exemplo, um globo ou a Terra. Não importa o quanto um viajante viaje pela Terra, ele nunca alcançará seu limite. No entanto, isso não significa que a Terra seja infinita. O viajante simplesmente retornará ao local de onde iniciou sua jornada.

Na superfície da hiperesfera

Da mesma forma, um viajante espacial, atravessando o Universo de Einstein numa nave estelar, pode regressar à Terra. Só que desta vez o andarilho não se moverá ao longo da superfície bidimensional de uma esfera, mas ao longo da superfície tridimensional de uma hiperesfera. Isto significa que o Universo tem um volume finito e, portanto, um número finito de estrelas e massa. No entanto, o Universo não tem limites nem centro.

Einstein chegou a essas conclusões conectando espaço, tempo e gravidade em sua famosa teoria. Antes dele, esses conceitos eram considerados separados, razão pela qual o espaço do Universo era puramente euclidiano. Einstein provou que a própria gravidade é uma curvatura do espaço-tempo. Isso mudou radicalmente as primeiras ideias sobre a natureza do Universo, baseadas na mecânica newtoniana clássica e na geometria euclidiana.

Universo em expansão

Mesmo o próprio descobridor do “novo Universo” não era estranho às ilusões. Embora Einstein limitasse o Universo no espaço, ele continuou a considerá-lo estático. Segundo seu modelo, o Universo foi e permanece eterno, e seu tamanho permanece sempre o mesmo. Em 1922, o físico soviético Alexander Friedman expandiu significativamente este modelo. Segundo seus cálculos, o Universo não é nada estático. Ele pode expandir ou contrair com o tempo. É digno de nota que Friedman chegou a tal modelo baseado na mesma teoria da relatividade. Ele conseguiu aplicar essa teoria de forma mais correta, contornando a constante cosmológica.

Albert Einstein não aceitou imediatamente esta “emenda”. Este novo modelo veio em auxílio da descoberta do Hubble mencionada anteriormente. A recessão das galáxias comprovou indiscutivelmente o fato da expansão do Universo. Então Einstein teve que admitir seu erro. Agora o Universo tinha uma certa idade, que depende estritamente da constante de Hubble, que caracteriza a taxa de sua expansão.

Desenvolvimento adicional da cosmologia

À medida que os cientistas tentavam resolver esta questão, muitos outros componentes importantes do Universo foram descobertos e vários modelos do mesmo foram desenvolvidos. Assim, em 1948, George Gamow introduziu a hipótese do “Universo quente”, que mais tarde se transformaria na teoria do big bang. A descoberta em 1965 confirmou suas suspeitas. Agora os astrônomos puderam observar a luz que surgiu a partir do momento em que o Universo se tornou transparente.

A matéria escura, prevista em 1932 por Fritz Zwicky, foi confirmada em 1975. A matéria escura na verdade explica a própria existência de galáxias, aglomerados de galáxias e a própria estrutura Universal como um todo. Foi assim que os cientistas aprenderam que a maior parte da massa do Universo é completamente invisível.

Finalmente, em 1998, durante um estudo da distância, descobriu-se que o Universo está se expandindo em ritmo acelerado. Este último ponto de viragem na ciência deu origem à nossa compreensão moderna da natureza do universo. O coeficiente cosmológico, introduzido por Einstein e refutado por Friedman, voltou a encontrar o seu lugar no modelo do Universo. A presença de um coeficiente cosmológico (constante cosmológica) explica sua expansão acelerada. Para explicar a presença de uma constante cosmológica, foi introduzido o conceito de um campo hipotético contendo a maior parte da massa do Universo.

Compreensão moderna do tamanho do Universo observável

O modelo moderno do Universo também é chamado de modelo ΛCDM. A letra “Λ” significa a presença de uma constante cosmológica, o que explica a expansão acelerada do Universo. "CDM" significa que o Universo está cheio de matéria escura e fria. Estudos recentes indicam que a constante de Hubble é de cerca de 71 (km/s)/Mpc, o que corresponde à idade do Universo de 13,75 mil milhões de anos. Conhecendo a idade do Universo, podemos estimar o tamanho da sua região observável.

De acordo com a teoria da relatividade, a informação sobre qualquer objeto não pode chegar a um observador a uma velocidade superior à velocidade da luz (299.792.458 m/s). Acontece que o observador não vê apenas um objeto, mas seu passado. Quanto mais longe um objeto está dele, mais distante é o passado que ele parece. Por exemplo, olhando para a Lua, vemos como era há pouco mais de um segundo, o Sol - há mais de oito minutos, as estrelas mais próximas - anos, galáxias - milhões de anos atrás, etc. No modelo estacionário de Einstein, o Universo não tem limite de idade, o que significa que a sua região observável também não é limitada por nada. O observador, munido de instrumentos astronômicos cada vez mais sofisticados, observará objetos cada vez mais distantes e antigos.

Temos um quadro diferente com o modelo moderno do Universo. Segundo ela, o Universo tem uma idade e, portanto, um limite de observação. Ou seja, desde o nascimento do Universo, nenhum fóton poderia ter percorrido uma distância superior a 13,75 bilhões de anos-luz. Acontece que podemos dizer que o Universo observável está limitado desde o observador a uma região esférica com raio de 13,75 bilhões de anos-luz. No entanto, isso não é bem verdade. Não devemos esquecer a expansão do espaço do Universo. Quando o fóton chegar ao observador, o objeto que o emitiu já estará a 45,7 bilhões de anos-luz de distância de nós. anos. Este tamanho é o horizonte das partículas, é o limite do Universo observável.

Além do horizonte

Assim, o tamanho do Universo observável é dividido em dois tipos. Tamanho aparente, também chamado de raio de Hubble (13,75 bilhões de anos-luz). E o tamanho real, denominado horizonte de partículas (45,7 bilhões de anos-luz). O importante é que ambos os horizontes não caracterizam de forma alguma o tamanho real do Universo. Em primeiro lugar, dependem da posição do observador no espaço. Em segundo lugar, eles mudam com o tempo. No caso do modelo ΛCDM, o horizonte das partículas se expande a uma velocidade maior que o horizonte de Hubble. A ciência moderna não responde à questão de saber se esta tendência mudará no futuro. Mas se assumirmos que o Universo continua a se expandir com aceleração, então todos os objetos que vemos agora irão, mais cedo ou mais tarde, desaparecer do nosso “campo de visão”.

Atualmente, a luz mais distante observada pelos astrônomos é a radiação cósmica de fundo em micro-ondas. Olhando para ele, os cientistas veem o Universo como era 380 mil anos após o Big Bang. Nesse momento, o Universo esfriou o suficiente para poder emitir fótons livres, que hoje são detectados com a ajuda de radiotelescópios. Naquela época não existiam estrelas ou galáxias no Universo, mas apenas uma nuvem contínua de hidrogênio, hélio e uma quantidade insignificante de outros elementos. A partir das heterogeneidades observadas nesta nuvem, aglomerados de galáxias se formarão posteriormente. Acontece que precisamente aqueles objetos que serão formados a partir de heterogeneidades na radiação cósmica de fundo em micro-ondas estão localizados mais próximos do horizonte de partículas.

Limites verdadeiros

Se o Universo tem fronteiras verdadeiras e inobserváveis ​​ainda é uma questão de especulação pseudocientífica. De uma forma ou de outra, todos concordam com o infinito do Universo, mas interpretam esse infinito de maneiras completamente diferentes. Alguns consideram o Universo multidimensional, onde o nosso Universo tridimensional “local” é apenas uma de suas camadas. Outros dizem que o Universo é fractal – o que significa que o nosso Universo local pode ser uma partícula de outro. Não devemos esquecer os vários modelos do Multiverso com seus Universos fechados, abertos, paralelos e buracos de minhoca. E existem muitas, muitas versões diferentes, cujo número é limitado apenas pela imaginação humana.

Mas se ativarmos o realismo frio ou simplesmente nos afastarmos de todas essas hipóteses, podemos assumir que nosso Universo é um recipiente infinito e homogêneo de todas as estrelas e galáxias. Além disso, em qualquer ponto muito distante, seja a bilhões de gigaparsecs de nós, todas as condições serão exatamente as mesmas. Neste ponto, o horizonte de partículas e a esfera de Hubble serão exatamente os mesmos, com a mesma radiação relíquia em suas bordas. Haverá as mesmas estrelas e galáxias ao redor. Curiosamente, isto não contradiz a expansão do Universo. Afinal, não é apenas o Universo que está em expansão, mas o próprio espaço. O fato de que no momento do Big Bang o Universo surgiu de um ponto significa apenas que as dimensões infinitamente pequenas (praticamente zero) que existiam então se transformaram em dimensões inimaginavelmente grandes. No futuro, utilizaremos precisamente esta hipótese para compreender claramente a escala do Universo observável.

Representação visual

Várias fontes fornecem todos os tipos de modelos visuais que permitem às pessoas compreender a escala do Universo. No entanto, não é suficiente percebermos o quão grande é o cosmos. É importante imaginar como conceitos como o horizonte de Hubble e o horizonte de partículas realmente se manifestam. Para fazer isso, vamos imaginar nosso modelo passo a passo.

Esqueçamos que a ciência moderna não conhece a região “estranha” do Universo. Descartando versões de multiversos, do Universo fractal e suas outras “variedades”, imaginemos que ele é simplesmente infinito. Como observado anteriormente, isso não contradiz a expansão do seu espaço. Claro, vamos levar em conta que a esfera de Hubble e a esfera de partículas têm, respectivamente, 13,75 e 45,7 bilhões de anos-luz.

Escala do Universo

Pressione o botão INICIAR e descubra um mundo novo e desconhecido!
Primeiro, vamos tentar entender o quão grande é a escala Universal. Se você já viajou pelo nosso planeta, pode imaginar o quão grande a Terra é para nós. Agora imagine nosso planeta como um grão de trigo sarraceno movendo-se em órbita ao redor de um Sol-melancia do tamanho de meio campo de futebol. Neste caso, a órbita de Netuno corresponderá ao tamanho de uma pequena cidade, a área corresponderá à Lua e a área do limite de influência do Sol corresponderá a Marte. Acontece que o nosso Sistema Solar é muito maior que a Terra, assim como Marte é maior que o trigo sarraceno! Mas isto é apenas o começo.

Agora vamos imaginar que esse trigo sarraceno será o nosso sistema, cujo tamanho é aproximadamente igual a um parsec. Então a Via Láctea terá o tamanho de dois estádios de futebol. No entanto, isso não será suficiente para nós. A Via Láctea também terá que ser reduzida ao tamanho de um centímetro. Será um pouco semelhante à espuma de café envolta em um redemoinho no meio do espaço intergaláctico preto-café. A vinte centímetros dela está a mesma “migalha” em espiral - a Nebulosa de Andrômeda. Ao redor deles haverá um enxame de pequenas galáxias do nosso Cluster Local. O tamanho aparente do nosso Universo será de 9,2 quilômetros. Chegamos a uma compreensão das dimensões universais.

Dentro da bolha universal

Contudo, não basta compreendermos a escala em si. É importante perceber o Universo em dinâmica. Vamos nos imaginar como gigantes, para quem a Via Láctea tem um centímetro de diâmetro. Conforme observado há pouco, nos encontraremos dentro de uma bola com raio de 4,57 e diâmetro de 9,24 quilômetros. Vamos imaginar que somos capazes de flutuar dentro desta bola, viajar, percorrendo megaparsecs inteiros num segundo. O que veremos se nosso Universo for infinito?

É claro que inúmeras galáxias de todos os tipos aparecerão diante de nós. Elíptico, espiral, irregular. Algumas áreas estarão repletas deles, outras estarão vazias. A principal característica será que visualmente todos ficarão imóveis enquanto nós estamos imóveis. Mas assim que dermos um passo, as próprias galáxias começarão a se mover. Por exemplo, se conseguirmos discernir um Sistema Solar microscópico na Via Láctea com um centímetro de comprimento, seremos capazes de observar o seu desenvolvimento. Afastando-nos 600 metros da nossa galáxia, veremos a protoestrela Sol e o disco protoplanetário no momento da formação. Aproximando-nos dela, veremos como surge a Terra, surge a vida e surge o homem. Da mesma forma, veremos como as galáxias mudam e se movem à medida que nos afastamos ou nos aproximamos delas.

Conseqüentemente, quanto mais distantes as galáxias observarmos, mais antigas elas serão para nós. Assim, as galáxias mais distantes estarão localizadas a mais de 1.300 metros de nós, e na virada de 1.380 metros já veremos radiação relíquia. É verdade que esta distância será imaginária para nós. No entanto, à medida que nos aproximamos da radiação cósmica de fundo em micro-ondas, veremos uma imagem interessante. Naturalmente, observaremos como as galáxias se formarão e se desenvolverão a partir da nuvem inicial de hidrogênio. Quando chegarmos a uma dessas galáxias formadas, entenderemos que percorremos não 1.375 quilômetros, mas todos os 4,57.

Diminuindo o zoom

Como resultado, aumentaremos ainda mais de tamanho. Agora podemos colocar vazios e paredes inteiros no punho. Portanto, nos encontraremos em uma bolha bastante pequena da qual é impossível sair. Não apenas a distância até os objetos na borda da bolha aumentará à medida que eles se aproximam, mas a própria borda mudará indefinidamente. Este é o ponto principal do tamanho do Universo observável.

Não importa quão grande seja o Universo, para um observador ele permanecerá sempre uma bolha limitada. O observador estará sempre no centro desta bolha, na verdade ele é o seu centro. Ao tentar chegar a qualquer objeto na borda da bolha, o observador mudará seu centro. À medida que você se aproxima de um objeto, esse objeto se moverá cada vez mais longe da borda da bolha e ao mesmo tempo mudará. Por exemplo, de uma nuvem disforme de hidrogênio, ela se transformará em uma galáxia completa ou, ainda mais, em um aglomerado galáctico. Além disso, o caminho para este objeto aumentará à medida que você se aproxima dele, pois o próprio espaço circundante mudará. Tendo alcançado este objeto, iremos apenas movê-lo da borda da bolha para o seu centro. No limite do Universo, a radiação relíquia ainda piscará.

Se assumirmos que o Universo continuará a se expandir em ritmo acelerado, estando então no centro da bolha e avançando o tempo em bilhões, trilhões e ordens de anos ainda maiores, notaremos um quadro ainda mais interessante. Embora nossa bolha também aumente de tamanho, seus componentes mutáveis ​​​​se afastarão de nós ainda mais rápido, deixando a borda dessa bolha, até que cada partícula do Universo vagueie separadamente em sua bolha solitária, sem a oportunidade de interagir com outras partículas.

Assim, a ciência moderna não possui informações sobre o tamanho real do Universo e se ele possui limites. Mas sabemos com certeza que o Universo observável tem um limite visível e verdadeiro, denominado respectivamente raio de Hubble (13,75 bilhões de anos-luz) e raio das partículas (45,7 bilhões de anos-luz). Esses limites dependem inteiramente da posição do observador no espaço e se expandem com o tempo. Se o raio do Hubble se expandir estritamente à velocidade da luz, então a expansão do horizonte das partículas será acelerada. A questão de saber se a aceleração do horizonte das partículas continuará e se será substituída pela compressão permanece em aberto.

8.2. Desenvolvimento de ideias sobre o Universo. Modelos do Universo

Historicamente, as ideias sobre o Universo sempre se desenvolveram dentro da estrutura dos modelos mentais do Universo, começando pelos mitos antigos. Na mitologia de quase todas as nações, um lugar significativo é ocupado por mitos sobre o Universo - sua origem, essência, estrutura, relacionamentos e possíveis causas do fim.

Na maioria dos mitos antigos, o mundo (Universo) não é eterno, foi criado por poderes superiores a partir de algum princípio fundamental (substância), geralmente da água ou do caos. O tempo nas ideias cosmogônicas antigas é geralmente cíclico, ou seja, os eventos de nascimento, existência e morte do Universo seguem-se em círculo, como todos os objetos da natureza. O Universo é um todo único, todos os seus elementos estão interligados, a profundidade dessas conexões varia até possíveis transformações mútuas, os eventos se sucedem, substituindo-se (inverno e verão, dia e noite). Esta ordem mundial se opõe ao caos. O espaço do mundo é limitado. Poderes superiores (às vezes deuses) atuam como criadores do Universo ou como guardiões da ordem mundial. A estrutura do Universo nos mitos assume múltiplas camadas: junto com o mundo revelado (médio), existem os mundos superior e inferior, o eixo do Universo (muitas vezes na forma de uma Árvore ou Montanha do Mundo), o centro de o mundo é um lugar dotado de propriedades sagradas especiais, existe uma conexão entre as camadas individuais do mundo. A existência do mundo é concebida de forma regressiva - da “idade de ouro” ao declínio e à morte. O homem nos mitos antigos pode ser um análogo de todo o Cosmos (o mundo inteiro é criado a partir de uma criatura gigantesca semelhante a um homem gigante), o que fortalece a ligação entre o homem e o Universo. Nos modelos antigos, o homem nunca ocupa o centro das atenções.

Nos séculos VI-V. AC. São criados os primeiros modelos filosóficos naturais do Universo, mais desenvolvidos na Grécia Antiga. O conceito final nesses modelos é o Cosmos como um todo único, belo e consistente com as leis. A questão de como o mundo foi formado é complementada pela questão de do que é feito o mundo e como ele muda. As respostas não são mais formuladas em linguagem figurada, mas em linguagem abstrata e filosófica. O tempo nos modelos geralmente ainda é de natureza cíclica, mas o espaço é finito. A substância atua como elementos individuais (água, ar, fogo - na escola Milesiana e em Heráclito), uma mistura de elementos, e um Cosmos único, indivisível, imóvel (entre os eleatas), número ontologizado (entre os pitagóricos), indivisível unidades estruturais - átomos que garantem a unidade do mundo - em Demócrito. É o modelo de Demócrito do Universo que é infinito no espaço. Os filósofos naturais determinaram o status dos objetos cósmicos - estrelas e planetas, as diferenças entre eles, seu papel e posição relativa no Universo. Na maioria dos modelos, o movimento desempenha um papel significativo. O Cosmos é construído segundo uma única lei - o Logos, e o homem também está sujeito à mesma lei - um microcosmo, uma cópia reduzida do Cosmos.

O desenvolvimento das visões pitagóricas, que geometrizaram o Cosmos e pela primeira vez o apresentaram claramente na forma de uma esfera girando em torno de um fogo central e rodeado por ele, foi incorporado nos diálogos posteriores de Platão. Durante muitos séculos, o modelo de Aristóteles, matematicamente processado por Ptolomeu, foi considerado o auge lógico das visões da antiguidade sobre o Cosmos. De forma um tanto simplificada, esse modelo, apoiado pela autoridade da igreja, durou cerca de 2 mil anos. Segundo Aristóteles, o Universo: o é um todo abrangente, constituído pela totalidade de todos os corpos percebidos; o único;

o espacialmente finito, limitado à esfera celeste extrema,

por trás dele “não há vazio nem espaço”; o eterno, sem começo e sem fim no tempo. Ao mesmo tempo, a Terra está imóvel e localizada no centro do Universo, o terreno e o celestial (supralunar) são absolutamente opostos em sua composição física e química e na natureza do movimento.

Nos séculos XVIII e XIX, durante a Renascença, ressurgiram modelos filosóficos naturais do Universo. Eles são caracterizados, por um lado, por um retorno à amplitude e às visões filosóficas da antiguidade e, por outro, pela lógica e matemática estritas herdadas da Idade Média. Como resultado de pesquisas teóricas, Nikolai Kuzansky, N. Copernicus, G. Bruno propõem modelos do Universo com espaço infinito, tempo linear irreversível, um sistema solar heliocêntrico e muitos mundos semelhantes a ele. G. Galileu, continuando esta tradição, investigou as leis do movimento - a propriedade da inércia e foi o primeiro a utilizar conscientemente modelos mentais (construções que mais tarde se tornaram a base da física teórica), uma linguagem matemática, que ele considerava a linguagem universal de o Universo, uma combinação de métodos empíricos e uma hipótese teórica que a experiência deveria confirmar ou refutar e, por fim, observações astronômicas por meio de um telescópio, que ampliaram significativamente as capacidades da ciência.

G. Galileu, R. Descartes, I. Kepler lançaram as bases das ideias físicas e cosmogônicas modernas sobre o mundo, tanto com base nelas quanto com base nas leis da mecânica descobertas por Newton no final do século XVII. Foi formado o primeiro modelo cosmológico científico do Universo, denominado modelo newtoniano clássico. De acordo com este modelo, o Universo: O é estático (estacionário), ou seja, em média constante ao longo do tempo; O é homogêneo – todos os seus pontos são iguais; O é isotrópico – todas as direções são iguais; o é eterno e espacialmente infinito, e o espaço e o tempo são absolutos - eles não dependem um do outro e de massas em movimento; O tem densidade de matéria diferente de zero; O tem uma estrutura totalmente compreensível na linguagem do sistema de conhecimento físico existente, o que significa a extrapolabilidade infinita das leis da mecânica, a lei da gravitação universal, que são as leis básicas para o movimento de todos os corpos cósmicos.

Além disso, o princípio da ação de longo alcance é aplicável no Universo, ou seja, propagação instantânea de sinal; A unidade do Universo é garantida por uma estrutura única - a estrutura atômica da matéria.

A base empírica deste modelo foram todos os dados obtidos a partir de observações astronômicas que foram utilizados para processá-los; Esta construção baseou-se no determinismo e no materialismo da filosofia racionalista da Nova Era. Apesar das contradições que surgiram (paradoxos fotométricos e gravitacionais - consequências da extrapolação do modelo ao infinito), a atratividade ideológica e a consistência lógica, bem como o potencial heurístico, fizeram do modelo newtoniano o único aceitável para os cosmólogos até o século XX.

A necessidade de rever as visões sobre o Universo foi motivada por inúmeras descobertas feitas nos séculos XIX e XX: a presença da pressão luminosa, a divisibilidade do átomo, o defeito de massa, o modelo da estrutura do átomo, o não planar geometrias de Riemann e Lobachevsky, mas somente com o advento da teoria da relatividade uma nova teoria relativística quântica se tornou um possível modelo do Universo.

Das equações das teorias da relatividade especial (STR, 1905) e geral (GTR, 1916) de A. Einstein, segue-se que o espaço e o tempo estão interligados em uma única métrica e dependem do movimento da matéria: em velocidades próximas à velocidade de luz, o espaço é comprimido, o tempo é esticado e perto de massas compactas e poderosas o espaço-tempo é curvado, assim o modelo do Universo é geometrizado. Houve até tentativas de imaginar todo o Universo como um espaço-tempo curvo, cujos nós e defeitos foram interpretados como massas.

Einstein, resolvendo equações para o Universo, obteve um modelo limitado no espaço e estacionário. Mas para manter a estacionariedade, ele precisava introduzir um termo lambda adicional na solução, que não era empiricamente apoiado por nada, e era equivalente em sua ação a um campo oposto à gravidade em distâncias cosmológicas. No entanto, em 1922-1924. A.A. Friedman propôs uma solução diferente para estas equações, a partir da qual foi possível obter três modelos diferentes do Universo dependendo da densidade da matéria, mas todos os três modelos eram não estacionários (evolutivos) - um modelo com expansão seguida de compressão, um modelo oscilante e um modelo com expansão infinita. Naquela época, a rejeição da estacionariedade do Universo foi um passo verdadeiramente revolucionário e foi aceito pelos cientistas com grande dificuldade, pois parecia contradizer todas as visões científicas e filosóficas estabelecidas sobre a natureza, levando inevitavelmente ao criacionismo.

A primeira confirmação experimental da não estacionariedade do Universo foi obtida em 1929 - Hubble descobriu um desvio para o vermelho nos espectros de galáxias distantes, que, segundo o efeito Doppler, indicava a expansão do Universo (nem todos os cosmólogos compartilhavam dessa interpretação naquela época). tempo). Em 1932-1933 O teórico belga J. Lemaigre propôs um modelo de Universo com um “início quente”, o chamado “Big Bang”. Mas nas décadas de 1940 e 1950. Foram propostos modelos alternativos (com o nascimento de partículas do campo c, do vácuo), preservando a natureza estacionária do Universo.

Em 1964, cientistas americanos - o astrofísico A. Penzias e o radioastrônomo K. Wilson descobriram radiação relíquia isotrópica homogênea, indicando claramente um “começo quente” do Universo. Este modelo tornou-se dominante e foi aceito pela maioria dos cosmólogos. No entanto, este mesmo ponto de “começo”, o ponto de singularidade, deu origem a muitos problemas e disputas tanto sobre o mecanismo do “Big Bang” como porque o comportamento do sistema (o Universo) próximo dele não poderia ser descrito dentro a estrutura de teorias científicas conhecidas (temperatura e densidade infinitamente altas tiveram que ser combinadas com tamanhos infinitesimais). No século 20 Muitos modelos do Universo foram apresentados - desde aqueles que rejeitaram a teoria da relatividade como base, até aqueles que alteraram algum fator no modelo básico, por exemplo, a “estrutura celular do Universo” ou a teoria das cordas. Assim, para eliminar as contradições associadas à singularidade, em 1980-1982. O astrônomo americano P. Steinhart e o astrofísico soviético A. Linde propuseram uma modificação do modelo do Universo em expansão - um modelo com uma fase inflacionária (o modelo do “Universo Inflativo”), no qual os primeiros momentos após o “Big Bang” receberam um nova interpretação. Este modelo continuou a ser refinado mais tarde; eliminou uma série de problemas e contradições significativas na cosmologia. A investigação não para hoje: a hipótese apresentada por um grupo de cientistas japoneses sobre a origem dos campos magnéticos primários está de acordo com o modelo descrito acima e permite-nos esperar obter novos conhecimentos sobre as fases iniciais da existência do Universo.

Como objeto de estudo, o Universo é demasiado complexo para ser estudado dedutivamente; métodos de extrapolação e modelação proporcionam a oportunidade de avançar no seu conhecimento. No entanto, estes métodos exigem o cumprimento rigoroso de todos os procedimentos (desde a formulação do problema, seleção de parâmetros, grau de semelhança entre o modelo e o original, até à interpretação dos resultados obtidos), e mesmo que todos os requisitos sejam idealmente cumpridos, os resultados da investigação serão ser fundamentalmente probabilística por natureza.

A matematização do conhecimento, que aumenta significativamente as capacidades heurísticas de muitos métodos, é uma tendência geral na ciência no século XX. A cosmologia não foi exceção: surgiu um tipo de modelagem mental - a modelagem matemática, o método da hipótese matemática. Sua essência é que primeiro as equações são resolvidas e depois se busca uma interpretação física das soluções resultantes. Este procedimento, que não é típico da ciência do passado, tem um enorme potencial heurístico. Foi este método que levou Friedman a criar um modelo do Universo em expansão; foi desta forma que o pósitron foi descoberto e muitas outras descobertas importantes foram feitas na ciência no final do século XX;

Os modelos computacionais, incluindo aqueles usados ​​para modelar o Universo, nascem do desenvolvimento da tecnologia computacional. A partir deles, foram aprimorados modelos do Universo com fase inflacionária; no início do século XXI. foram processadas grandes quantidades de informações recebidas da sonda espacial e criado um modelo de desenvolvimento do Universo, levando em consideração a “matéria escura” e a “energia escura”.

Com o tempo, a interpretação de muitos conceitos fundamentais mudou.

O vácuo físico não é mais entendido como vazio, nem como éter, mas como um estado complexo com conteúdo potencial (virtual) de matéria e energia. Ao mesmo tempo, descobriu-se que os corpos e campos cósmicos conhecidos pela ciência moderna constituem uma porcentagem insignificante da massa do Universo, e a maior parte da massa está contida em “matéria escura” e “energia escura” que se revelam indiretamente. . Pesquisas nos últimos anos mostraram que uma parte significativa dessa energia atua na expansão, estiramento e dilaceramento do Universo, o que pode levar a uma aceleração detectável da expansão. Nesse sentido, o cenário para o possível futuro do Universo requer revisão. A categoria tempo é uma das categorias mais discutidas na cosmologia. A maioria dos pesquisadores atribui um caráter objetivo ao tempo, mas de acordo com a tradição vinda de Agostinho e de I. Kant, o tempo e o espaço são formas de nossa contemplação, ou seja, eles são interpretados subjetivamente. O tempo é considerado como um parâmetro independente de quaisquer fatores (um conceito substancial vindo de Demócrito e subjacente ao modelo clássico newtoniano do Universo), ou como um parâmetro associado ao movimento da matéria (um conceito relacional vindo de Aristóteles e tornando-se a base do modelo quântico-relativístico do Universo). O mais comum é o conceito dinâmico, que representa o tempo em movimento (falam da passagem do tempo), mas também foi apresentado o conceito oposto - estático. O tempo em vários modelos parece cíclico, ou finito, ou infinito e linear. A essência do tempo está mais frequentemente associada à causalidade. São discutidos problemas como a justificativa para identificar o momento presente do tempo, sua direção, anisotropia, irreversibilidade, universalidade do tempo, ou seja, O tempo existe em todos os estados do Universo e é sempre unidimensional ou pode ter uma dimensão diferente e até mesmo não existir sob certas condições (por exemplo, num ponto de singularidade). A questão menos desenvolvida é sobre as peculiaridades do tempo em sistemas complexos: biológicos, mentais, sociais.

Ao criar modelos do Universo, algumas constantes desempenham um papel significativo - a constante gravitacional, a constante de Planck, a velocidade da luz, a densidade média da matéria, o número de dimensões do espaço-tempo. Ao estudar essas constantes, alguns cosmólogos chegaram à conclusão de que com outros valores dessas constantes, não existiriam formas complexas de matéria no Universo, sem falar na vida, e principalmente na inteligência.

LISTA BIBLIOGRÁFICA

Evsyukov V.V. Mitos sobre o Universo. Novosibirsk, 1988.

Latypov N.N., Beilin V.A., Vereshkov G.M. Vácuo, partículas elementares e o Universo. M., 2001.

Linde A. D. Física de partículas e cosmologia inflacionária. M., 1990.

Nadtochaev A.S. Filosofia e ciência na antiguidade. M., 1990.

Novikov I.D. Evolução do Universo. M., 1990.

Pavlenko A.N. Cosmologia europeia: fundamentos da viragem epistemológica. M., 1997.

Hawking S. Do big bang aos buracos negros. M., 1990.

Vários cenários cosmológicos foram propostos para descrever o futuro do Universo. Todas essas hipóteses podem ser divididas em dois grupos: modelos do Universo “fechado” e modelos do Universo “aberto”. Se a curvatura do espaço for negativa ou igual a zero, então um modelo de Universo aberto é especificado; se a curvatura do espaço for positiva, então um modelo de Universo “fechado” ou “fechado” é especificado;

O modelo “fechado” assume que o Universo é finito e ilimitado, ou seja, movendo-se ao longo dele, você não pode alcançar a fronteira. No entanto, a luz emitida por um observador de alguma fonte retornará para ele do lado oposto. A hipótese do universo fechado pressupõe que o mundo passa por muitos ciclos evolutivos. Cada ciclo representa primeiro uma expansão e depois uma contracção do Universo e dura aproximadamente 100 mil milhões de anos. Durante a transição para um novo ciclo, as características fundamentais do Universo associadas às constantes físicas básicas mudam. Quanto ao estado atual do Universo, no âmbito desta hipótese assume-se que após cerca de 30 mil milhões de anos começará a encolher, e após mais 50 mil milhões de anos regressará a um estado singular, do qual será “ renascido.

O modelo “aberto” vê o Universo como infinito. Nos modelos do Universo aberto, presume-se que em 10-14 anos as estrelas irão esfriar, já que todo o material para as reações termonucleares desaparecerá. Em 10-15 anos, as estrelas começarão a deixar suas galáxias e os planetas se separarão das estrelas e voarão para o espaço sideral. Durante um período de aproximadamente 10 17 anos, todas as estrelas perderão finalmente os seus planetas e as partes centrais das galáxias entrarão em colapso. A matéria restante, graças às forças gravitacionais, começará a se reunir em núcleos com enorme densidade, ou seja, as galáxias se transformarão em buracos negros supermassivos. Em 10 32 anos, o Universo consistirá de buracos negros e gás rarefeito de elétrons-pósitrons. Em 10.96 anos, os buracos negros irão evaporar. Em 10.100 anos, o Universo se transformará em um plasma elétron-pósitron de densidade muito baixa.

Este cenário é assumido no caso de instabilidade de prótons. Se o próton for estável, sugere-se que em 10-65 anos toda a matéria se transformará em líquido, e as estrelas, que nessa época já se tornaram anãs negras, se transformarão em gotas líquidas. Em 10-1500 anos, todas as gotas líquidas se transformarão em ferro. Depois de um grande número de anos, expresso em números incríveis, essas gotas de ferro líquido se transformarão em buracos negros e evaporarão gradualmente. O Universo, como no modelo anterior, entrará no estado de plasma elétron-pósitron.

No momento, nosso Universo está em estado de expansão. O criador da sinergética, I. Prigogine, afirma que o modelo padrão prevê: no final, nosso Universo está condenado à morte, seja como resultado de expansão contínua (morte térmica) ou como resultado de compressão subsequente (uma “terrível queda” ). Porém, o Universo, tendo surgido do vácuo, como resultado da expansão, retorna novamente ao estado de vácuo, mas a possibilidade de flutuações repetidas não pode ser descartada.