Полусверхпопулярное введение в проблему или откуда ноги растут
(история вопроса)

Вопрос на повестке дня таков - а зачем же понадобились все эти супер-пупер теории вроде СТО, ОТО и прочих с их наворотами? Почему нельзя было обойтись старой доброй механикой Ньютона-Лагранжа и парочкой частных теорий вроде теории Максвелла?

Не вдаваясь в подробности, рассмотрим историю и причины возникновения физических теорий с момента введения Ньютоном своих законов.

В 1687 Исаак Ньютон произвел переворот в физике, изложив свою концепцию в "Математических началах натуральной философии" (лат - Philosophiae Naturalis Principia Mathematica). Основой этой концепции были три закона Ньютона и его теория гравитации. Уверен, что и то и другое всем известно.
Из законов Ньютона следовало отсутствие абсолютной системы отсчета (с чем сам Ньютон не был согласен) и абсолютный характер времени. Пространство в теории Ньютона было трехмерным, эвклидовым. Время являлось независимой координатой.

За несколько лет до этого, в 1676 г. датский астроном Оле Рёмер измерил скорость света - она получилась 225 тыс. км в секунду, не очень точное измерение т.к. его оценки расстояния от Земли до Юпитера были не очень точны. Важно то, что несмотря на воззрения, царившие до этого, она оказалась конечной величиной (до этого считалось, что свет распространяется мгновенно).

В 1865 г. английский физик Максвелл создал единое описание электрических и магнитных явлений на основе четырех уравнений. Из этих уравнений следовало, что в существуют волнообразные возмущения некого поля, которое Максвелл назвал электромагнитным, и что эти возмущения распространяются с определенной скоростью. По Максвеллу, скорость эта совпадала со скоростью света. Скорость эта была универсальной, т.е. постоянной, не зависящей от системы остчета.
Это положение, однако, никак не согласовывалось с теорией Ньютона, в которой не может быть никакого абсолютного стандарта покоя, иными словами никакая скорость там не может быть постоянной и не зависеть от выбора системы отсчета.

Это противоречие породило теорию эфира (не будем сейчас вдаваться в детали и описывать, что из себя представляла эта теория), которая, как считается, была опровергнута опытом Майкельсона-Морли по измерению скорости эфира.
Между 1887 и 1905 г. производилось несколько попыток спасти теорию эфира, принимались различные предположения, однако в результате общая картина стала достаточно уродливой, как это часто бывает при попытке спасти какую-то теорию, которая вступает в противоречие с экспериментом.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн высказал идею, согласно которой необходимость в эфире отпадает, если отказаться от идеи абсолютного времени. Так родилась специальная теория относительности (СТО).
Итак, СТО была нужна для того, чтобы примирить механику Ньютона и теорию электромагнитных волн Максвелла.

И все бы ничего, если бы вновь введенная СТО не входила в противоречие с Ньютоновской теорией гравитации, согласно которой тела притягиваются с силой, прямо пропорциональной их массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:

$F= G \frac{m_1 m_2}{r^2}$

Таким образом, при перемещении одного из тел, сила притяжения изменится мгновенно, что противоречит утверждению СТО о конечности скорости распространения любых взаимодействий.

Между 1908 и 1914 г. Эйнштейн предпринял много неудачных попыток примирить СТО и теорию тяготения Ньютона. В конце концов он вышел с еще более революционной концепцией, известной как общая теория относительности (ОТО). В этой теории сохранялось основное свойство гравитационных полей - независимость ускорений тел, от их массы.

Стоит заметить, что ОТО не является законченной теорией. Во-первых, она не может быть объединена со второй гигантской теорией ХХ века - квантовой механикой. А во-вторых, она дает сингулярности при описании момента начала Вселенной (БВ).

В связи с этим было предпринято много попыток введения других теорий гравитации, таких, например, как релятивистская теория гравитации (РТГ), предложанная знаменитым советским физиком-теоретиком А.А.Логуновым.

Логунов считает, что принятие основных концепций ОТО означает отказ
от ряда фундаментальных принципов, лежащих в основе физики. В первую
очередь — это отказ от законов сохранения энергии(импульса и момента
количества движения и отказ (в полном соответствии с принципом эквива(
лентности) от представления о гравитационном поле как физическом поле
типа Фарадея — Максвелла.

---------------------------

По-моему, спустя более чем полгода после окончания циклов этих форумопередач, самое время продолжить. Продолжу сообщением, которое я написал давно (написано оно 17.01.2007), но на форум не выкладывал - ждал пока Кефирович сдержит свое обещание и наконец напишет в теме. Но, как всегда, кроме обещаний от него ничего не последовало. Ныне, естественно, с ведущего темы он снят. Потом просто-напросто мне было не до этого. Ну а сейчас... быть может продолжу что-то. А пока, для тех кто еще не читал этого, выкладываю свое сообщение.
__________________________________________________

1. Оценки возраста Вселенной

На данный период возраст Вселенной оценивается в диапазоне 6 .109 до 1,5 .1010  лет. Оценка возраста основана на концепции Большого взрыва (в дальнейшем БВ). Они основываются на чернотельном излучении, которое приходит из глубин Вселенной и, как считается, является остатком вспышки БВ. На всякий случай поясню, что расстояние в космологии принято измерять в световых годах - это расстояние, которое проходит свет на год. Поэтому свет, который приходит к нам от звезд, на расстоянии 100 световых лет - это свет от их положения 100-летней давности.

По предположению Георгия Гамова, излучение в форме фотонов, возникшее на начальных стадиях развития Вселенной, должно сохраниться до наших дней, но температура его должна быть чуть больше температуры абсолютного нуля - 273.15 градусов Цельсия или 0 градусов Кельвина. Это излучение было обнаружено в 1965 г. Пензиасом и Вильсоном (притом абсолютно случайно).

2. Расширение Вселенной.

Согласно современным результатам, галактики «разбегаются» друг от друга, т.е. Вселенная расширяется. Но возникает резонный вопрос – откуда разбегаются, правда ведь? Существует ли «центр разбегания»? Современные представления говорят, что нет. Иными словами, мы не занимаем никакого определенного положения во Вселенной. Как это можно объяснить?

Для начала наглядно – представьте, что вы надуваете воздушный шар и на поверхность этого шара нанесены несколько точек. Точки – это галактики. Именно таким образом происходит расширение Вселенной.

Теперь более точно. Согласно этому представлению, Вселенная есть 3-сфера. Те, кто изучал топологию это понял. Теперь для тех, кто не понял, поясню популярно. «Обычная» трехмерная сфера, которая застряла в нашем представлении – поверхность футбольного мяча, например, это т.н. 2-сфера. Она имеет два измерения, что означает лишь то, что любую точку на сфере можно задать двумя координатами (при известном ее радиусе, разумеется) – например, двумя углами, которые отсчитываются от двух взаимно-перпендикулярных плоских сечений, проходящих через центр сферы. 3-сфера это аналогия в четырехмерном пространстве. Т.е. если мы имеем четырехмерный шар, то его поверхность представляет собой трехмерную сферу. Это и есть 3-сфера. Вряд ли ее можно наглядно представить, хотя некоторые утверждают, что они видят четырехмерные фигуры!

Если Вы помните, то недавно шумевшая история о сотруднике петербургского отделения Стекловки, Григории Перельмане, который доказал гипотезу Пуанкаре, касается именно 3-сферы. И она звучит так: всякое односвязное замкнутое трехмерное многообразие гомеоморфно трехмерной сфере.
Суть этой топологической теоремы мы разбирать не будем, несмотря на то, что она достаточно проста - это для нас не важно в данной тематике.

3. Три модели Вселенной

В 1922 г. Александр Фридман, в предположении, что Вселенная однородна и изотропна, решил уравнение Эйнштейна. Из его решения следовало, что Вселенная расширяется. Фридман предложил только один класс решений. Однако сделанные им предположения допускают еще два класса решений и таким образом существует три варианта развития событий.

Первый вариант, найденный Фридманом, говорит о том, что Вселенная расширяется с замедлением, в конечном счете силы гравитации это замедление останавливают и Вселенная начинает ускоренно сжиматься, что ведет к коллапсу Вселенной. Геометрически это та самая 3-сфера, о которой говорилось выше.

Второй вариант. Вселенная расширяется настолько быстро, что гравитация не может остановить это расширение. Геометрически эта модель имеет отрицательную кривизну и описыватся геометрией Лобачевского.

Третий вариант. Вселенная расширяется точно с такой скоростью, чтобы избежать коллапса. Т.е. скорость ее расширения замедляется, но никогда не станет равной нулю. Геометрически эта модель плоская и описыватся обычной Евклидовой геометрией.

На данный момент неизвестно какому из сценариев соответствует реальное положение дел. Ответ на этот вопрос зависит от двух вещей - от наблюдаемой скорости расширения Вселенной и от средней ее плотности (кол-ва материи, приходящееся на единицу объема пространства). Чем выше текущая скорость расширения, тем большая гравитация (и масса, соответственно) требуется для того, чтобы это расширение остановить. Поэтому выделяют некий параметр - критическую плотность.
Если средняя плотность Вселенной больше критической плотности, то гравитационное притяжение остановит расширение и Вселенная сколлапсирует.
Если средняя плотность меньше критической, то Вселенная будет расширяться бесконечно.
И, наконец, если средняя плотность примерно равна критической, то расширение Вселенной будет замедляться вечно, но никогда не остановиться.

Есть две проблемы.
1. У нас есть некотороые трудности с определением скорости расширения, т.к. мы не знаем точных расстояний до галактик.
2. Очень большая проблема с опредлением средней плотности. Если мы прикинем массу всех известных нам звезд и планет, то это получится лишь сотая доля того, что требуется для остановки расширения Вселенной. Однако проблема заключается в том, что из наблюдений за гравитационным поведением звезд и планет, следует существование какой-то скрытой массы, которую мы наблюдать не можем, но которая имеет гравитационное воздействие на звезды и планеты. Эту массу принято называть темной материей. Что она из себя представляет до сих пор неизвестно. Однако по моему личному убеждению, существование этой материи свидетельствует о неправильности физических теорий, конкретно о неправильности ОТО. Однако, физики настолько уже привыкли воспринимать ее как высшую истину, что в таких случаях заявляют "тем хуже для опыта", переиначивая известную фразу.