Приглашаем посетить сайт
КОСМОЛОГИЯ
КОСМОЛОГИЯ (от греч. κόσμος - мир, Вселенная, а также строй, порядок, в противоположность хаосу, и λόγος - слово, учение) - учение о Вселенной как целом и о всей охваченной астрономич. наблюдениями области Вселенной как части этого целого.
К. развивалась как раздел астрономии. Нередко ее рассматривают также как раздел физики или философии. Фактически совр. К. является пограничной наукой на стыке астрономии, физики и философии. Наиболее общие положения К. имеют непосредственно филос. характер, поэтому К. являлась и является ареной борьбы мировоззрений.
Первые наивные космологич. представления зародились в глубокой древности в результате попыток человека осознать свое место в мироздании. Для этих воззрений характерны антропоморфизм и антропоцентризм. Процесс становления К. происходил в порядке взаимосвязанного развития, с одной стороны, абстрактного мышления, с другой - средств и методов наблюдения. Мн. общие вопросы К. были поставлены филос. мыслью задолго до того, как стало возможным подходить к решению этих вопросов средствами астрономии и физики. Таковы, напр., вопрос о том, является ли Вселенная единым целым или множеством отд. миров, вопрос о конечности или бесконечности Вселенной, поставленные др.-греч. философами. Идея Вселенной как единого, вечного и закономерного процесса имеется уже у Гераклита (см. А5, 10; В 30, 65, 76, 90, Diels9). Первая попытка представить строение Вселенной в целом на основе наблюдат. данных - геоцентрич. система мира (см. Гелиоцентрическая и геоцентрическая системы мира). Важнейшие космологич. идеи этой системы: неподвижность и центральное положение Земли во Вселенной, пространств. ограниченность последней, коренное различие физич. природы "земного" и "небесного". Эти космологич. идеи были преодолены только гелиоцентрич. системой мира. Уже Дж. Бруно сделал из нее вывод о безграничности Вселенной; этот вывод получил физич. обоснование в теории тяготения Ньютона: статическая ограниченная Вселенная несовместима с законом всемирного тяготения. Что касается представлений о противоположности "земного" и "небесного", то оно было подорвано уже самим выводом о том, что Земля - лишь одна из планет, т.е. часть "небесного"; телескопич. открытия Галилея, закон всемирного тяготения Ньютона и спектральный анализ показали полное единство физич. законов и химич. состава "земного" и "небесного".
По мере развития средств и методов астрономии расширялась охваченная наблюдениями часть Вселенной, и космич. роль Земли представлялась все более и более скромной. Системы Птолемея и Коперника (в первонач. виде) были по существу К. солнечной системы. Только постепенно выяснилось, какую исчезающе малую долю объема "звездной вселенной" - Галактики охватывает солнечная система: Солнце - лишь одна из примерно 100 млрд. звезд этой системы. Выяснение протяженности Галактики заняло ок. 150 лет. Хотя еще Райт, Ламберт и Кант в 50-60-х гг. 18 в. высказывали догадку не только о том, что все видимые звезды образуют огранич. дискообразную систему, но и о том, что существует множество таких систем, даже в нач. 20 в. среди астрономов были широко распространены представления, будто наша Галактика и есть вся материальная Вселенная (неограниченность самого пространства при этом обычно не подвергалась сомнению). Когда же было окончательно доказано, что существует огромное количество звездных систем, в общем сходных с нашей, вновь появилась тенденция лишь отодвинуть границы Вселенной, без отказа от самого понятия границы. Теперь за Вселенную принималась уже система галактик - Метагалактика.
Науч. К. в своем развитии прошла два крупных этапа - ньютонианский и релятивистский. Предпосылками возникновения науч. К. был отказ от геоцентризма, создание классич. механики и открытие закона всемирного тяготения. Со времен Ньютона космологич. проблема могла ставиться уже не умозрительно, а как физич. задача. Первоначально, в связи с господством механистич. мировоззрения, она сводилась к задаче о поведении бесконечной системы масс, управляемой силами всемирного тяготения. Конкретным образом системы масс, к-рой оперировала ньютонова К., была звездная система. Начало нового, совр. этапа в развитии К. связано, с одной стороны, с созданием общей теории относительности и первых релятивистских моделей мира (1917-22), с др. стороны, с установлением звездной природы и внегалактич. положения спиральных "туманностей" (1917-24). Сопоставление теоретич. и наблюдат. выводов стало возможно после открытия Хабблом в 1929 закона красного смещения, а конкретным образом космологич. системы масс стала система галактик. Начался этот новый этап с попыток преодоления на основе новой теории тяготения тех космологич. затруднений, к-рые были унаследованы от классич. (дорелятивистской) физики (см. Космологические парадоксы). Казалось, что бесконечная Вселенная с равномерным (в среднем) распределением тяготеющих и излучающих масс (звезд) при отличной от нуля пространств. плотности масс существовать не может. Выход формально можно было искать в одном из трех направлений: либо отказаться от предположения о равномерном (хаотич.) распределении космич. масс, либо от предположения о бесконечном объеме пространства Вселенной, либо, наконец, предположить, что ньютонов закон тяготения выполняется лишь приближенно. Возможность решения проблемы в первом из этих направлений рассмотрел в 1908-22 Шарлье (в общем виде идея была выдвинута еще в 18 в. Ламбертом). Это т.н. иерархич. схема строения Вселенной, исходящая из представления о строгой закономерности строения и пространств. распределения космич. систем: определ. число звезд образует систему (галактику) первого порядка, определ. число к-рых, в свою очередь, образует систему (галактику) второго порядка, и т.д. до бесконечности. Вселенная есть система бесконечно высокого порядка сложности. Если величины, характеризующие каждую из систем (линейные размеры, массы, плотности), связаны опред. соотношениями, то такая бесконечная система свободна от космологич. парадоксов. При стремлении размеров системы к бесконечности ее плотность стремится к нулю. Однако такая схема казалась слишком искусственной. Поиски решения во втором направлении в рамках ньютоновой физики также представлялись мало обнадеживающими. Со времен Римана было известно, что безграничное пространство может быть как конечным, так и бесконечным. Однако первая из этих возможностей представлялась лишь математич. абстракцией. Идея Маха и др. о возможности пространственно конечной Вселенной не получила поэтому признания. Третью возможность рассмотрел в 1895 Нейман; он показал, что гравитац. парадокс устраняется, если предположить, что на больших расстояниях сила тяготения убывает быстрее, чем по закону обратных квадратов (или, что эквивалентно, что на больших расстояниях наряду с силами притяжения действуют еще неизвестные силы отталкивания, ослабляющие гравитац. эффекты). Однако не существовало никаких данных для обоснования таких предположений. В 1917 Эйнштейн сделал попытку применить к решению космологич. проблемы созданную им релятивистскую теорию тяготения - общую теорию относительности. Оказалось, что если исходить из предположения о статичности Вселенной, то в рамках новой теории тяготения возникают затруднения, аналогичные тем, к-рые имеют место в классич. (ньютоновой) теории. Поэтому Эйнштейн видоизменил ур-ния тяготения общей теории относительности путем введения в них т.н. космологич. члена. Это видоизменение означало предположение о существовании неизвестных сил отталкивания, сказывающихся на больших расстояниях. Решение ур-ний тяготения с космологич. членом в предположении о статистически однородном и изотропном распределении вещества дает замкнутое (конечное) пространство. Др. статич. (псевдостатич.) модель была построена де Ситтером. В 1922-24 А. А. Фридман показал, что для такого видоизменения ур-ний тяготения нет достаточных оснований: "космологический член" может соответствовать не только отталкиванию, но и притяжению и, что наиболее существенно, обычные ур-ния Эйнштейна также имеют космологич. решения, свободные от указанных затруднений. Но пространство таких моделей не является статическим, кривизна пространства со временем изменяется, пространство деформируется. После открытия Хаббла оказалось, однако, что это не недостаток, а преимущество новых моделей: Метагалактика не является статич. системой, и модели Фридмана могут рассматриваться как теоретич. объяснение эффекта "разбегания" галактик. Однако простейшие релятивистские модели, если рассматривать их как модели Вселенной в целом, приводят к принципиальным затруднениям, к-рые были использованы фидеизмом и идеализмом для "обоснования" идеи сотворения мира из ничего или первозданного хаоса, притом в очень недалеком, по астрономич. масштабам, прошлом - 2-10 млрд. лет. С т. зр. самой К. и астрономии, предположение, лежащее в основе изотропных однородных моделей, и распространенное представление, что галактика или скопление галактик является высшим, наиболее сложным структурным образованием, за к-рым следует уже непосредственно Вселенная, сильно задержало изучение строения Метагалактики. Вплоть до 40-х гг. преобладал взгляд о беспорядочном распределении галактик, а обнаружившиеся неоднородности рассматривались как неоднородности местного характера (см. Космологический постулат). Для преодоления затруднений, связанных с простейшими моделями, были сделаны попытки отказаться от основного упрощающего предположения о равномерном распределении вещества и построить более сложные - неоднородные анизотропные модели. Это задача исключит. математич. сложности. Однако уже полученные результаты показывают, что на этом пути можно, по-видимому, преодолеть все осн. затруднения совр. К. без какой-то кардинально новой физич. теории. Однако при переходе к существенно бóльшим масштабам (системе метагалактик) совр. теоретич. база К. может оказаться недостаточной, как ньютонова физика оказалась недостаточной для объяснения явлений метагалактич. масштабов. Известны также попытки найти решение космологич. проблемы вне рамок общей теории относительности. К их числу относится К. "кинематической относительности" англ. астрофизика Милна, созданная в 30-х гг. Схема Милна крайне искусственна и распространения не получила. Др. космологич. теории, напр. Иордана, также не имеют особого влияния. Значительно большей популярностью пользуется среди ученых Запада модель "стационарной Вселенной" Бонди, Голда и Хойла (1948). В наст. время она обычно рассматривается как альтернативная к релятивистским моделям "динамической Вселенной". Идея этой модели такова. Вселенная существовала и будет существовать вечно без к.-л. этапов катастрофальной эволюции. Она всегда расширялась, расширяется и будет расширяться, однако плотность вещества при этом остается неизменной за счет постоянного возникновения вещества. В первонач. варианте теории вещество возникает из ничего; в варианте, развитом Хойлом, источником вещества является физич. "творящее" поле не известной пока природы, причем тензор этого поля вводится в уравнения поля общей теории относительности. Здесь теория может рассматриваться как особый случай релятивистской космологич. теории.
К. занимается также "термодинамикой Вселенной" (см. Энтропия, Тепловая смерть Вселенной). Пограничной проблемой К., космогонии, астрофизики и ядерной физики является проблема нуклеогенеза, т.е. происхождения химич. элементов. В связи с открытием античастиц в К. стала обсуждаться проблема "антимиров" - гипотетич. космич. объектов, построенных из антивещества (античастиц). Это, однако, только небольшая часть более общей проблемы симметрии Вселенной. К проблемам К. можно отнести также проблему распространенности органич. жизни во Вселенной (в наст. время это пограничная проблема К., космогонии, астрофизики и биохимии). Совр. т. зр. состоит в том, что жизнь во Вселенной хотя и не всеобщее, но далеко не исключит. явление.
Ряд существующих космологич. концепций складывался под влиянием позитивизма. Это сказалось прежде всего в стремлении развивать К. независимо от философии, далее, в неосноват. претензии получить сразу и окончательно исчерпывающее решение вопроса о строении Вселенной в целом. Отсюда стремление рассматривать космологич. модели не как очередные ступеньки бесконечного процесса познания бесконечной Вселенной, а как окончат. результат, не как схематич. модели Метагалактики, а как адекватную модель всей Вселенной. Это сказалось, наконец, в игнорировании диалектич. противоречивости Вселенной. Объект К. - Вселенная - одновременно является предельно всеобщим (ибо не существует ничего, что не входило бы во Вселенную) и в то же время предельно единичным (ибо, помимо нее, вообще ничего не существует). Поэтому, напр., в общем виде вопрос о том, какие черты Вселенной являются единичными, какие особенными и какие всеобщими, без дальнейшего уточнения лишен смысла: наиболее общие свойства Вселенной - это и ее индивидуальные свойства, не присущие какому бы то ни было другому объекту. Но поскольку мы всегда наблюдаем не непосредственно к.-л. "свойства Вселенной в целом" (напр., ее протяженность или кривизну ее пространственно-временного континуума), а лишь свойства определ. космич. системы как ее части, то вопрос о разделении индивидуальных, особых и общих свойств приобретает в познании Вселенной решающее значение. Так, если Вселенная однородна, как утверждает космологич. постулат, то в зависимости от отбора данных можно получить, напр., вывод о ее конечности в пространстве или времени, о том, что возраст Вселенной в целом меньше возраста ее составных частей и т.п. Если же она неоднородна (в широком смысле), т.е. можно допустить, напр., что в каких-то др. метагалактиках действует иной закон тяготения, то это означало бы, что мы наблюдаем лишь единичные и особенные свойства космич. систем, не отражающие общих черт строения Вселенной; тогда доля познанного во Вселенной не превышает ее познанной доли и даже при сколь угодно быстром прогрессе познания мы всегда будем знать лишь бесконечно малую часть Вселенной и никогда не сможем ничего сказать о Вселенной в целом. Др. словами, мы должны были бы сделать вывод, что Вселенная как объект непознаваема, и предмета К. не существует. Диалектика состоит здесь в том, что бесконечная (в пространстве - времени и по неисчерпаемости свойств) всеохватывающая Вселенная является единством и взаимопроникновением взаимоисключающих противоположностей: однородности и неоднородности, прерывного и непрерывного, единого и многообразного, конечного и бесконечного, симметричного и несимметричного, обратимого и необратимого. Познавая конечное, мы всегда познаем и какие-то черты бесконечного, по части можем делать нек-рые выводы о целом, но не можем просто переносить свойства одного на другое. Проблемы совр. К. должны решаться общими усилиями астрономии, физики и философии. Сов. наука имеет в этом отношении определ. успехи. До недавнего времени К. уделялось у нас несравненно меньше внимания, чем др. разделам астрономии, что объясняется, во-первых, тем, что до недавнего времени в СССР отсутствовали сверхмощные инструменты, необходимые для работ в области внегалактич. астрономии. Во-вторых, в условиях догматизма, порожденного культом личности Сталина, теоретич. основа совр. К. - теория относительности - подвергалась со стороны ряда философов и отд. физиков нигилистич. критике, а релятивистская К. рассматривалась ими как всецело идеалистическая. Сейчас, когда оба эти препятствия преодолены, Сов. Союз, занимающий ведущее положение в освоении космоса, имеет также все предпосылки для того, чтобы сделать крупный шаг вперед в теоретич. осмысливании его общих закономерностей.
См. такжестатьи Бесконечность, Пространство и время, Вселенная, Тяготение всемирное.
Лит.: Шкловский И. С., Фотометрич. парадокс для радиоизлучения метагалактики, "Астрономич. журнал", 1953, т. 30, вып. 5, с. 495-508; Внегалактич. астрономия и К. Тр. шестого совещания по вопросам космогонии 5-7 июня 1957 г., М., 1959; Зельманов А. Л., К., БСЭ, 2 изд., т. 23; его же, К., в сб.: Астрономия в СССР за тридцать лет (1917-1947), М.-Л., 1948 (имеется библ.); его же, К постановке космологич. проблемы, в кн.: Тр. второго съезда Всесоюзного астрономо-геодезич. об-ва 25-31 янв. 1955 г., М., 1960; Hаан Г. И., О совр. состоянии космологич. науки, в кн.: Вопр. космогонии, т. 6, М., 1958; его же, О бесконечности Вселенной, "Вопр. философии", 1961, No 6; Mак-Витти Г. К., Общая теория относительности и К., М., 1961; Ландау Л. Д. и Лифшиц Е. М., Теория поля, 4 изд., М., 1962; Амбарцумян В. Α., Проблемы внегалактич. исследований, в сб.: Вопр. космогонии, т. 8, М., 1962, с. 3-26; Robertson H. P., Relativistic cosmology, "Rev. of Modern Physics", 1933, v. 5, No 1; Τolman R. С., Relativity, thermodynamics and cosmology, Oxf., 1934; Heckmann O. H. L., Schücking Ε., Newtonsche und Einsteinsche Kosmologie,, Handbuch der Physik, hrsg. von S. Flügge, Bd 53, В.-Gött.-Hdlb., 1959; Βondi Η., Cosmology, 2 ed., Camb., 1960.
Г. Haaн. Таллин.