Человек – это центр вселенной. Модель Вселенной Ньютона

§ 6. Вселенная Ньютона

Несмотря на свой знаменитый девиз «Гипотез не измышляю», Ньютон как мыслитель крупнейшего масштаба не мог не задумываться и над проблемами предельно широкими, касающимися устройства Вселенной в целом (да и механизма тяготения, между прочим). Но и здесь он применял метод индукции: не давая волю фантазии, анализировал прямые логические следствия уже установленных законов. Так, сформулировав закон всемирного тяготения как универсальный закон природы, справедливый для всей Вселенной (хотя он был тогда согласован с наблюдениями лишь в пределах Солнечной системы), Ньютон рассмотрел (в переписке с английским теологом Р. Бентли в 1692—1693 гг.) возможную структуру гравитирующей Вселенной при двух альтернативных допущениях — конечной и бесконечной Вселенной. Он пришел к выводу, что лишь во втором случае рассеянная в начальный момент материя могла образовать множество космических объектов, так как только в бесконечной Вселенной могут существовать многочисленные равноправные центры гравитации. Б конечном же объеме все эти отдельные тела рано или поздно слились бы в единое тело в центре мира. Уже само наблюдение бесчисленных звезд (которые к тому времени считались «солнцами») подсказывало вывод о бесконечности мирового пространства. Поэтому фундаментом для всех последующих гравитационных (ньютонианских) моделей Вселенной стало представление о бесконечном пространстве, в котором находятся бесчисленные космические объекты, связанные друг с другом силой всемирного тяготения, определяющей характер движения этих объектов.

Ньютон задумывался и над проблемой происхождения такой упорядоченной Вселенной. Однако здесь он столкнулся с задачей, для решения которой не располагал научными фактами. Вместе с тем он первым отчетливо понял, что одних только механических сил для этого мало. Предшественником Ньютона в этом можно назвать. Аристотеля. Ньютон также критиковал концепции атомистов-механистов, справедливо утверждая, что из одних только неупорядоченных механических движений частиц не могла возникнуть вся сложность мирового порядка и богатство существ в мире. Убедившись в неизбежности возмущений в движениях планет и спутников (т. е. отклонений от кеплеровых законов), которые могли иметь и вековой характер, нарастая со временем, Ньютон в то же время не имел никаких оснований для уверенности в устойчивости, сохранении уже имевшихся гравитирующих систем, например планетной. Оставалось прибегнуть лишь к некой более могучей, чем тяготение, организующей силе, каковою в его эпоху мыслился только бог. Тайной оставалось и начало орбитального движения планет. Поэтому Ньютон традиционно допускал некий божественный «первый толчок», благодаря которому планеты приобрели орбитальное движение, а не упали на Солнце. Объяснив упорядоченное движение планет естественной физической причиной — законом всемирного тяготения, он тем не менее вынужден был сделать вывод о необходимости время от времени подправлять (тем же божественным вмешательством) расшатываемый взаимными возмущениями механизм планетных движений, заводить «мировые часы» (образ введен Лейбницем).

Потребовалось всего полвека развития науки и, главное, общего мировоззрения под воздействием открытий самого Ньютона, чтобы появились мыслители, категорически отвергнувшие идею божественного «начального толчка». Вместо него в естествознании снова возродилась забытая и, казалось, успешно искорененная церковью идея естественной эволюции материи в Космосе под действием сил гравитации.

Как менялись представления о Вселенной

От слонов и черепахи до теории относительности: эволюция взглядов на место, где мы живём, с древних времён до наших дней.

Как только человек обзавёлся разумом, он стал интересоваться тем, как всё устроено. Почему вода не переливается за край мира? Вращается ли Солнце вокруг Земли? Что находится внутри чёрных дыр?

Сократовское «Я знаю, что ничего не знаю» означает, что мы осознаём количество ещё неизведанного в этом мире. Мы прошли путь от мифов до квантовой физики, однако вопросов до сих пор больше, чем ответов, и они становятся лишь сложнее.

Космогонические мифы

Читайте также :

Миф — первый способ, с помощью которого люди объясняли происхождение и устройство всего окружающего и своё собственное существование. Космогонические мифы рассказывают о том, как из хаоса или небытия появился мир. Сотворением вселенной в мифе занимаются божества. В зависимости от конкретной культуры получившаяся космология (представление об устройстве мира) различается. Например, небесная твердь могла казаться крышкой, скорлупой мирового яйца, створкой гигантской раковины или черепом великана.

Как правило, во всех этих историях присутствует разделение первоначального хаоса на небо и землю (верх и низ), создание оси (стержня мироздания), сотворение природных объектов и живых существ. Общие для разных народов базовые понятия называются архетипами.

Мир как тело

Это может быть интересно :

Древний человек познавал мир с помощью своего тела, измерял расстояния шагами и локтями, много работал руками. Это нашло отражение в олицетворении природы (гром — результат ударов божьего молота, ветер — божество дует). Мир тоже ассоциировался с большим телом.

Например, в скандинавской мифологии мир был создан из тела великана Имира, глаза которого стали водоёмами, а волосы — лесами. В индуистской мифологии эту функцию взял на себя Пуруша, в китайской — Паньгу. Во всех случаях устройство видимого мира связывается с телом антропоморфного существа, великого предка или божества, приносящего себя в жертву, чтобы мир появился. Сам человек при этом — микрокосм, вселенная в миниатюре.

Великое древо

Ещё один архетипический сюжет, который часто появляется у разных народов — ось мира, мировая гора или же мировое древо. Например, ясень Иггдрасиль у скандинавов. Изображения дерева, в центре которого находится фигурка человека, встречались также у майя и ацтеков. В индуистских Ведах священное древо называлось Ашваттха, в тюркской мифологии — Байтерек. Мировое древо связывает нижний, средний и верхний миры, его корни находятся в подземных областях, а крона уходит в небеса.

Покатай меня, большая черепаха!

Мифологема плавающей в безбрежном океане мировой черепахи, на спине которой покоится Земля, встречается у народов Древней Индии и Древнего Китая, в преданиях коренного населения Северной Америки. В разных вариантах мифа о гигантских «поддерживающих животных» упоминаются слон, змея и кит.

Космологические представления греков

Греческие философы заложили астрономические представления, которыми мы пользуемся и сегодня. Разные философы их школы имели свою точку зрения на модель мироздания. В большинстве своём они придерживались геоцентрической системы мира.

Масштабную энциклопедию астрономических и математических знаний создал Птолемей. Описанная им геоцентрическая система мира была наиболее общепризнанной до коперниканского переворота в эпоху Возрождения. Аристотель также считал, что Земля неподвижна, указывая, что небесные тела прикреплены к твёрдым «небесным сферам».

Некоторые представители пифагорейской школы полагали, что и, Солнце, и Луна и планеты вращаются вокруг Центрального Огня, Гестии. Такую модель называют пироцентрической.

Аристарх Самосский предложил гелиоцентрическую систему мира, согласно которой Солнце — центральное небесное тело, а также предположил, что Земля меньше Солнца. Однако идея о том, что центр космоса — Земля, была популярна ещё долго.

Средневековая астрономия

В своих представлениях мыслители европейского средневековья опирались на работы античных философов, принимали системы Птолемея и Аристотеля. Главной концепцией мира оставался геоцентризм, средневековыми философами дополнялось и расширялось представление о небесных сферах. При этом античная мудрость дополнялась христианскими воззрениями.

Мир на средневековых изображениях — это мир глазами Бога. Все существующие вещи имеют глубокий духовный смысл. Большое развитие получает учение Платона о вещах и идеях, согласно которому все явления и объекты земного мира — это частные проявления божественных идей из горнего мира.

Для европейской средневековой миниатюры и скульптуры не важны пропорции и перспектива — важны символы и значения. Здесь могут одновременно происходить события из прошлого и будущего, а христианская символика пронизывает всё вокруг.

Теории Ренессанса

На протяжении сотен лет средневековая живопись оставалась плоской. И вдруг за очень краткий период Ренессанса стала объёмной. Это тесно связано с мировоззренческим подходом: мир стали изображать так, как он видится человеку, появилось учение о перспективе. Методы наблюдения за природой развивались и создавали всё более полную картину мира.

Гелиоцентрический переворот Коперника

Ещё по этой теме :

На протяжении долгого времени в европейской астрономии не сдавал позиций геоцентризм. Однако в XVI веке Николай Коперник поместил в центр мира Солнце, вокруг которого вращались планеты, включая Землю, и указал на то, что Земля вращается вокруг своей оси.

Гелиоцентрический проект существовал ещё в античности (см. выше), но большого развития не получил. Заявление Коперника вышло куда более громким. В 1543 году он выпустил книгу «О вращениях небесных сфер». При этом всю Вселенную Коперник сводил до неподвижных звезд вокруг, опираясь на теорию о сферах.

Тем не менее, его система преодолела разрыв между представлениями о «дольнем» и «горнем» мире, сделав Землю одной из планет в пространстве, где нет верха и низа.

Гео-гелиоцентрическая система

У Коперника появилось множество оппонентов. Датский астроном Тихо Браге, не соглашаясь поместить Солнце в центр Вселенной, предложил гео-гелиоцентрическую систему мира (впервые она была описана ещё Гераклидом Понтийским).

Концепция предполагала, что в центре мира находится неподвижная Земля, вокруг которой обращаются Солнце, Луна и звёзды. При этом планеты вращаются вокруг Земли, образуя «Земную систему». Суточное вращение Земли Тихо Браге также отрицал.

Научная революция Просвещения

Географические открытия, морские путешествия, развитие механики и оптики сделали картину мира более сложной и полной. С XVII века началась «телескопическая эпоха»: человеку стало доступно наблюдение за небесными телами на новом уровне и открылся путь к более глубокому изучению космоса. С философской точки зрения мир мыслился как объективно познаваемый и механистичный.

Иоганн Кеплер и орбиты небесных тел

Ученик Тихо Браге Иоганн Кеплер, который придерживался коперниканской теории, открыл законы движения небесных тел. Вселенная, согласно его теории — это шар, внутри которого находится Солнечная система. Сформулировав три закона, которые называются теперь «законами Кеплера», он описал движение планет вокруг Солнца по орбитам и заменил круговые орбиты на эллипсы.

Открытия Галилео Галилея

Читайте также :

Галилей защищал коперниканство, придерживаясь гелиоцентрической системы мира, а также настаивал на том, что Земля обладает суточным вращением (крутится вокруг своей оси). Это привело его к знаменитым разногласиям с Римской церковью, которая теорию Коперника не поддерживала.

Всё это было свидетельствами, что Земля имеет ту же природу, что и другие небесные тела, которые тоже обладают «лунами» и движутся. Даже Солнце оказалось не идеальным, что опровергало греческие представления о совершенстве горнего мира — на нём Галилей разглядел пятна.

Модель Вселенной Ньютона

Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения, разработал единую систему земной и небесной механики и сформулировал законы динамики — эти открытия легли в основу классической физики. Ньютон доказал законы Кеплера с позиции гравитации, заявил, что Вселенная бесконечна и сформулировал свои представления о материи и плотности.

Его работа «Математические начала натуральной философии» 1687 года обобщила результаты исследований предшественников и заложила метод создания модели Вселенной с помощью математического анализа.

ХХ век: всё относительно

Ещё по этой теме :

Качественным прорывом в представлении человека о мире в ХХ веке стали положения общей теории относительности (ОТО), которые вывел в 1916 году Альберт Эйнштейн. Согласно теории Эйнштейна, пространство не является чем-то неизменным, время имеет начало и конец и может течь по-разному в разных условиях.

ОТО до сих пор наиболее влиятельная теория пространства, времени, движения и гравитации — то есть, всего, что составляет физическую реальность и принципы мира. Теория относительности утверждает, что пространство должно либо расширяться, либо сужаться. Так оказалось, что Вселенная динамична, а не стационарна.

Американский астроном Эдвин Хаббл доказал, что наша галактика Млечный Путь, в которой находится Солнечная система — лишь одна из сотен миллиардов других галактик Вселенной. Исследуя дальние галактики, он сделал вывод о том, что они разбегаются, удаляясь друг от друга, и предположил, что Вселенная расширяется.

Если исходить из концепции постоянного расширения Вселенной, выходит, когда-то она находилась в сжатом состоянии. Событие, которое обусловило переход от очень плотного состояния материи к расширению, получило название Большого Взрыва.

ХХI век: тёмная материя и Мультивселенная

Сегодня мы знаем, что Вселенная расширяется ускоренно: этому способствует давление «тёмной энергии», которая борется с силой тяготения. «Тёмная энергия», природа которой до сих пор не ясна, составляет основную массу Вселенной. Чёрные дыры представляют собой «гравитационные могилы», в которых исчезают вещество и излучение, и в которые, предположительно, превращаются погибшие звёзды.

Это может быть интересно :

Мы осознали свою неуникальность — ведь вокруг столько звёзд и планет. Поэтому вопрос возникновения жизни на Земле современными учёными рассматривается в контексте того, почему вообще возникла Вселенная, где такое стало возможным.

Галактики, звёзды и вращающиеся вокруг них планеты, да и сами атомы существуют только потому, что толчок тёмной энергии в момент Большого взрыва оказался достаточным, чтобы Вселенная не свернулась снова, и в то же время таким, чтобы пространство не разлеталось слишком сильно. Вероятность такого очень мала, поэтому некоторые современные физики-теоретики предполагают, что существует множество параллельных Вселенных.

Физики-теоретики верят, что одни вселенные могут иметь 17 измерений, в других могут быть звёзды и планеты, подобные нашим, а некоторые могут состоять всего лишь из аморфного поля.

Впрочем, опровергнуть это с помощью эксперимента невозможно, поэтому другие учёные полагают, что концепцию Мультивселенной следует считать скорее философской.

Сегодняшние представления о Вселенной во многом связаны с нерешёнными проблемами современной физики. Квантовая механика, построения которой существенно отличаются от того, что говорит классическая механика, физические парадоксы и новые теории уверяют нас, что мир куда многообразнее, чем кажется, а результаты наблюдений во многом зависят от наблюдающего.

Человек – это центр вселенной. Модель Вселенной Ньютона

Система Мира – это представления о расположении в пространстве и движении Земли, Солнца, Луны, звезд.

Очень простая и наглядная система мира в древнем Вавилоне:

(А Вы знаете что-нибудь о представлениях, например, древних китайцев?)

Шли годы, и мы теперь можем следить за гениальными догадками (умозаключениями) гениальных людей.

Древнегреческий ученый Клавдий Птолемей (ок.90-ок.160 гг.) в своем труде “Альмагест” предложил геоцентрическую систему Мира:

Однако трудно описать движение планет, приходится вводить много дополнительных предположений.

. И поплыл Колумб в Индию, а открыл Америку.
(Детский вопросик – Интересно, Колумб попал не туда из-за того, что неправильно ориентировался по звездам?)

Николай Коперник (1473-1543 гг.) провозгласил в своей книге “Об обращении небесных сфер” гелиоцентрическую систему мира.

Огромный прорыв в описании Мира, но … звезды по прежнему «прибиты гвоздями» к небосводу.

Прошло еще почти 150 лет, пока не пришел еще один гений – Ньютон.

Вселенная Ньютона

Сэр Исаак Ньютон (1643-1727 гг.) в своем труде “Математические начала натуральной философии” (1687 г.) заложил основы классической физики:

1. Существует абсолютное пространство, которое однородно, изотропно и имеет бесконечную протяженность.

2. Существует абсолютное (истинное и математическое) время. Время бесконечно и имеет одно измерение.

В основе механики Ньютона лежат три аксиомы (три закона):

1. Первый закон – закон инерции: всякое тело, на которое не действует внешняя сила, сохраняет по инерции (вследствие наличия инертной массы) состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

2. Второй закон – закон движения
F=m_иaF – вынуждающая сила, a – ускорение, m_и – инерциальная масса.

3. Третий закон – закон действия и противодействия: всякому действию соответствует равное по величине и противоположно направленное противодействие.

(Кстати говоря, а что такое механика?)

Решил Ньютон отдохнуть после трудов праведных в саду, и … получилось, что в конце 17 века он установил закон тяготения:
между всеми телами на Земле действуют силы притяжения – гравитационные силы.
F_гр = g * m_гр * M_гр / r 2
g – гравитационная постоянная.

(Детский вопросик – Интересно, а откуда Ньютон узнал о «своих», законах, он что, их сам придумал?)

Обратим внимание, что в уравнениях Ньютона появилось две разных массы: инертная масса m_и и гравитационная масса m_гр.
Различны ли эти массы?
Сейчас доказано, что m_гр=m_и с точностью до 10 -12 .

(Детский вопросик: Луна притягивается к Земле, почему до сих пор она не упала на Землю?
Детский вопросик: Почему камень падает на Землю, а не Земля на камень?).

Разобравшись с тем, что происходит на Земле, Ньютон попытался описать самую большую физическую систему – Вселенную .

Для этого Ньютон сделал гениальное предположение –
пусть законы, установленные на Земле, будут действовать и во всей Вселенной,
т.е. эти законы будут мировыми законами .

В конце 17 века считалось, что Вселенная – шар, и вещество (звезды) во Вселенной однородно распределено по объему шара.

Между частицами – звездами действуют, как считал Ньютон, только гравитационные силы, т.е. силы притяжения, поэтому шар должен сжаться в точку, т.е. произойти гравитационный коллапс

Но если Вселенная – бесконечна, то произвольная точка в бесконечной Вселенной испытывает одинаковое притяжение в любом направлении и поэтому остается на месте.

Ньютон делает гениальный вывод:
Вселенная является бесконечной и стационарной (т.е. неизменной во времени),
но сам Ньютон понимал, что такая Вселенная очень неустойчива.

Что же делать? Ньютон не успел больше ничего совершить, и Мир ждал появления следующего гения – Эйнштейна.

Вселенная Эйнштейна

Эйнштейн рассмотрел Вселенную, которая также была стационарной, изотропной и однородной (как у Ньютона). Чтобы уравновесить силы притяжения, ввел новую силу – силу отталкивания.

Теперь Вещество во Вселенной удерживается двумя силами – притяжения и отталкивания.

Строгое математическое решение сформулированной задачи показало нетривиальный результат:
Вселенная может быть стационарной, но если только она (Вселенная) имеет конечные размеры, но неограниченна.

Как же тело может быть конечным, но не иметь границ?
Возьмите сферу – площадь ее конечна, но как определить границу сферы? Ее нет. По аналогии можно представить себе, что существует некое четырехмерное пространство (какой-то гипершар), где наша Вселенная служит трехмерной границей гипершара. Если на Земле вы, двигаясь по меридиану из любой точки, вернетесь в ту же точку, то и во Вселенной Эйнштейна, двигаясь “по прямой”, вы окажетесь в исходной точке.
Но что это за таинственные силы отталкивания и нужны ли они?

Что знали ученые о Вселенной в 20-х годах XX века? Результаты наблюдательной астрономии позволили ученым утверждать, что Вселенная в целом однородна и изотропна.

Но если это так, то почему ночью темно, а не светло как днем?

Действительно, рассмотрим, сколько света поступает от звезд.
Разделим Вселенную на отдельные слои.

Количество звезд N в слое :N

4 * p * R 2
Но светимость: Q

1 / R 2
Два слоя на расстоянии R₁ и R₂ от Земли.
В первом слое: N₁ и общая светимость Q₁

Поскольку слоев бесконечно много, то и света должно быть бесконечно много. Ночью должно быть светло, как днем – вот о чем говорит парадокс Ольберса.

Что же делать? Опять ждать гения? Но может быть, стоит и самим чуточку подумать?

Исходные посылки: Вселенная бесконечна, изотропна, однородна и постоянна.
Изотропность и однородность установлены точно и здесь ничего изменить нельзя.

Делаем вывод, что либо Вселенная не бесконечна, либо Вселенная изменяется со временем.

И здесь на помощь приходит еще один гений – американский астроном Хаббл

В 1929 г. Хаббл измерял скорости движения галактик. Для этого он определял так называемое “красное смещение” – наблюдаемый в спектрах излучения галактик сдвиг спектральных линий, присущих определенным химическим элементам, в сторону более длинных волн по сравнению с их нормальными.
И он получил следующую картину:

Скорость (v) удаления галактик в зависимости от их расстояния (R) от нашей Галактики описывается простым выражением (Э. Хаббл, 1929)
v=HR

Постоянная Н называется постоянной Хаббла и ее современное значение составляет около 70 км/с Мпк.

Наблюдаемое Хабблом красное смещение означает, что объект удаляется от наблюдателя.

Итак, существующая Вселенная нестационарна, галактики убегают от нас.

Ура (ликуют все жители Земли), значит, Земля (точнее, наша галактика) является центром Вселенной?

Ликование было недолгим, потому что опять вмешивается наш разум и приводит простую аналогию с воздушным шариком.

Будем надувать воздушный шарик с нарисованными на нем точками 1, 2, 3.

Происходит “разбегание” точек 1, 2 и 3 по поверхности шара при увеличении его размеров.

Так и во Вселенной. Все галактики разбегаются друг от друга, и конечно, возникает вопрос, почему?

На помощь снова приходит гениальный ученый – теперь это русский ученый Фридман

В начале 20-х годов он предложил модель нестационарной Вселенной.

Если сейчас галактики разбегаются, то вчера они были ближе, а позавчера еще ближе друг к другу, а значит был момент времени t=0, когда все началось из какой-то точки. Обратите внимание, что здесь самое главное – это временная шкала, мы приходим к выводу о моменте рождения Вселенной.

Конечно, мы получаем также свидетельство, что Вселенная была в точке (в математическом смысле, а вспомните, что есть точка в математике?), но реально никакой точки не было.

Но почему галактики разбегаются. Предположим, что в начальный момент времени уже были галактики и занимали какое-то пространство.

Предположим также, что в начальный момент галактики были в покое, т.е. их скорость v=0. Тогда галактики будут притягиваются друг к другу и Вселенная будет сжиматься.
Но если в начальный момент скорости были большими и направлены таким образом, что галактики удалялись друг от друга, то мы получим, что и в настоящее время галактики удаляются друг от друга (правда, с меньшей скоростью, поскольку тяготение “тормозит” их движение).
Время рождения Вселенной грубо можно оценить из закона Хаббла: зная расстояние между галактиками и скорость их расхождения, можно из S=vt найти время t. После введения поправок на замедление расширения получаем время рождения Вселенной – примерно 15 млрд лет тому назад.
Итак, был начальный момент, когда произошел “Большой Взрыв”

(Детский вопросик – Что, где и когда взорвалось?)

Иными словами, после “взрыва” частицы получают огромную начальную скорость и начинают разлетаться во все стороны. Если силы притяжения, которые стремятся собрать частицы воедино, малы, то частицы все время будут разлетаться. Однако если силы притяжения велики, то через некоторое время они изменят знак скорости движения частиц на противоположный и частицы начнут сближаться. Ясно, что гравитационные силы зависят от плотности частиц в объеме Вселенной – чем больше плотность, тем больше силы F_тяг. Из приведенных условий ясно, что сценарий развития Вселенной зависит от плотности вещества в современную эпоху, т.е. существует критическая величина плотности r Вселенной. Открытая модель соответствует r -30 г/см 3 . Примерно такое же значение дают оценки плотности вещества во Вселенной.
Изменение размера R Вселенной с течением времени t для Вселенной с разной плотностью.

Строгое решение задачи об эволюции (развитии) Вселенной показывает:

С течением времени изменяются расстояния между галактиками.

В прошлом был момент t=0, когда радиус шара был равен нулю, а значит плотность стремится к бесконечности (момент сингулярности).

При t=0 произошел “Большой взрыв”, в результате которого образовалась Вселенная.

Неужели все так просто и ясно? Что же еще ученым надо, и что они делали после этого еще 70 лет?
Однако в последнее время появились новые астрономические данные, проливающие свет на современное состояние Вселенной и на ее будущее. Подробнее см. тему 5.

Спасибо, что осилили сложную тему.
Мне кажется, что теперь вы в состоянии создать такую фигуру:

Наверх

Источники:

http://www.astro-cabinet.ru/library/iau/istoriya-astronomii73.htm
http://newtonew.com/science/cosmological-theories
http://www.limm.mgimo.ru/science/lect_1.html