Paradoksy Wszechświata: masa wciąż zaskakuje fizyków. Niesamowite paradoksy wszechświata Hipoteza widoku z przodu

Paradoksy można znaleźć wszędzie, od ekologii po geometrię i od logiki po chemię. Nawet komputer, na którym czytasz artykuł, jest pełen paradoksów. Oto dziesięć wyjaśnień ciekawych paradoksów. Niektóre z nich są tak dziwne, że trudno od razu zrozumieć, o co im chodzi…

W kontakcie z

Koledzy z klasy

1. Paradoks Banacha-Tarskiego

Wyobraź sobie, że trzymasz piłkę w dłoniach. Teraz wyobraź sobie, że zaczynasz rozdzierać tę piłkę na kawałki, a kawałki mogą mieć dowolny kształt. Następnie połącz elementy tak, aby otrzymać dwie kule zamiast jednej. Jak duże będą te kulki w porównaniu z oryginalną piłką?

Zgodnie z teorią mnogości dwie powstałe kule będą miały ten sam rozmiar i kształt co oryginalna kula. Ponadto, jeśli weźmiemy pod uwagę, że kule mają różne objętości, wówczas każdą z kulek można przekształcić zgodnie z drugą. Sugeruje to, że groszek można podzielić na kulki wielkości słońca.

Sekret paradoksu polega na tym, że kulki można rozbić na kawałki o dowolnym kształcie. W praktyce jest to niemożliwe – struktura materiału i w efekcie wielkość atomów narzucają pewne ograniczenia.

Aby naprawdę możliwe było rozbicie piłki tak, jak lubisz, musi ona zawierać nieskończoną liczbę dostępnych punktów zerowymiarowych. Wtedy kula takich punktów będzie nieskończenie gęsta, a kiedy ją rozbijesz, kształty kawałków mogą okazać się tak skomplikowane, że nie będą miały określonej objętości. Możesz złożyć te elementy, każdy zawierający nieskończoną liczbę punktów, w nową kulę dowolnego rozmiaru. Nowa kula nadal będzie zbudowana z nieskończonych punktów, a obie kule będą równie nieskończenie gęste.

Jeśli spróbujesz wcielić ten pomysł w życie, nic nie zadziała. Ale wszystko świetnie sprawdza się przy pracy ze sferami matematycznymi – nieskończenie podzielnymi zbiorami liczbowymi w przestrzeni trójwymiarowej. Rozwiązany paradoks nosi nazwę twierdzenia Banacha-Tarskiego i odgrywa ogromną rolę w matematycznej teorii mnogości.

2. Paradoks Peto

Oczywiście wieloryby są znacznie większe od nas, co oznacza, że mają o wiele więcej komórek w swoich ciałach. Teoretycznie każda komórka w organizmie może stać się złośliwa. Dlatego wieloryby są znacznie bardziej narażone na raka niż ludzie, prawda?

Nie w ten sposób. Paradoks Peto, nazwany na cześć profesora z Oksfordu Richarda Peto, stwierdza, że nie ma korelacji między wielkością zwierzęcia a rakiem. Ludzie i wieloryby mają mniej więcej takie same szanse na zachorowanie na raka, ale niektóre rasy małych myszy mają znacznie większe ryzyko.

Niektórzy biolodzy uważają, że brak korelacji w paradoksie Peto można wytłumaczyć faktem, że większe zwierzęta są lepiej odporne na nowotwory: jest to mechanizm, który zapobiega mutacji komórek w procesie podziału.

3. Problem współczesności

Aby coś fizycznie istniało, musi być obecne w naszym świecie przez jakiś czas. Nie ma przedmiotu bez długości, szerokości i wysokości i nie ma obiektu bez „trwania” – obiekt „natychmiastowy”, czyli taki, który nie istnieje przynajmniej przez jakiś czas, w ogóle nie istnieje .

Według uniwersalnego nihilizmu przeszłość i przyszłość nie zajmują czasu w teraźniejszości. Co więcej, nie da się określić ilościowo czasu trwania, który nazywamy „czasem teraźniejszym”: każdą ilość czasu, którą nazywacie „czasem teraźniejszym”, można podzielić na części – przeszłość, teraźniejszość i przyszłość.

Jeśli teraźniejszość trwa, powiedzmy, sekundę, wówczas tę sekundę można podzielić na trzy części: pierwsza część będzie przeszłością, druga - teraźniejszością, trzecia - przyszłością. Trzecią część sekundy, którą teraz nazywamy teraźniejszością, również można podzielić na trzy części. Z pewnością już rozumiesz ideę - możesz tak kontynuować w nieskończoność.

Zatem teraźniejszość tak naprawdę nie istnieje, ponieważ nie trwa w czasie. Uniwersalny nihilizm używa tego argumentu, aby udowodnić, że nic w ogóle nie istnieje.

4. Paradoks Moraveca

Ludzie mają trudności z rozwiązywaniem problemów wymagających przemyślanego rozumowania. Natomiast podstawowe funkcje motoryczne i sensoryczne, takie jak chodzenie, nie sprawiają mu żadnych trudności.

Ale kiedy mówimy o komputerach, prawda jest odwrotna: komputery bardzo łatwo rozwiązują złożone problemy logiczne, takie jak opracowanie strategii szachowej, ale znacznie trudniej jest zaprogramować komputer tak, aby mógł chodzić lub odtwarzać ludzką mowę. Ta różnica między naturalną i sztuczną inteligencją znana jest jako paradoks Moraveca.

Hans Moravec, doktorant na wydziale robotyki na Uniwersytecie Carnegie Mellon, wyjaśnia tę obserwację ideą inżynierii wstecznej naszych własnych mózgów. Inżynieria odwrotna jest najtrudniejsza w przypadku zadań, które ludzie wykonują nieświadomie, takich jak funkcje motoryczne.

Ponieważ myślenie abstrakcyjne stało się częścią ludzkich zachowań niecałe 100 000 lat temu, nasza zdolność do rozwiązywania abstrakcyjnych problemów jest świadoma. Dlatego znacznie łatwiej jest nam stworzyć technologię emulującą to zachowanie. Z drugiej strony nie rozumiemy czynności takich jak chodzenie czy mówienie, dlatego trudniej jest nam nakłonić sztuczną inteligencję do tego samego.

5. Prawo Benforda

Jakie jest prawdopodobieństwo, że losowa liczba zacznie się od cyfry „1”? A może od cyfry „3”? Albo z „7”? Jeśli znasz się trochę na teorii prawdopodobieństwa, możesz zgadnąć, że prawdopodobieństwo wynosi jeden do dziewięciu, czyli około 11%.

Jeśli spojrzysz na rzeczywiste liczby, zauważysz, że „9” pojawia się znacznie rzadziej niż w 11% przypadków. Ponadto znacznie mniej liczb, niż oczekiwano, zaczyna się od „8”, ale aż 30% liczb zaczyna się od „1”. Ten paradoksalny wzór sprawdza się we wszystkich rzeczywistych przypadkach, od wielkości populacji, przez ceny akcji, po długość rzek.

Fizyk Frank Benford po raz pierwszy zauważył to zjawisko w 1938 roku. Odkrył, że częstotliwość pojawiania się cyfry jako pierwszej zmniejszała się wraz ze wzrostem cyfry z jednego do dziewięciu. Oznacza to, że „1” pojawia się jako pierwsza cyfra w około 30,1% przypadków, „2” pojawia się w około 17,6% przypadków, „3” pojawia się w około 12,5% przypadków i tak dalej, aż do pojawienia się „9” jako pierwsza cyfra jako pierwsza cyfra jedynie w 4,6% przypadków.

Aby to zrozumieć, wyobraź sobie, że numerujesz losy na loterię sekwencyjnie. Kiedy ponumerujesz bilety od jednego do dziewięciu, istnieje 11,1% szans, że którakolwiek liczba będzie numerem jeden. Kiedy dodasz los o numerze 10, szansa na losową liczbę zaczynającą się od „1” wzrasta do 18,2%. Dodajesz bilety od #11 do #19, a szansa na numer biletu zaczynający się od „1” stale rośnie, osiągając maksymalnie 58%. Teraz dodajesz bilet numer 20 i kontynuuj numerację biletów. Szansa na to, że liczba zacznie się od „2” wzrasta, a szansa, że zacznie się od „1”, powoli maleje.

Prawo Benforda nie ma zastosowania do wszystkich przypadków dystrybucji liczb. Na przykład zestawy liczb, których zakres jest ograniczony (wzrost lub waga człowieka), nie są objęte prawem. Nie działa to również z zestawami, które mają tylko jedno lub dwa rzędy.

Prawo dotyczy jednak wielu rodzajów danych. W rezultacie władze mogą wykorzystać prawo do wykrywania oszustw: jeśli przekazane informacje nie są zgodne z prawem Benforda, władze mogą stwierdzić, że ktoś sfabrykował dane.

6. C-paradoks

Jednokomórkowe ameby mają genomy 100 razy większe niż ludzkie; w rzeczywistości mają prawdopodobnie największe znane genomy. A u gatunków bardzo podobnych do siebie genom może się radykalnie różnić. Ta osobliwość znana jest jako paradoks C.

Ciekawym wnioskiem z paradoksu C jest to, że genom może być większy niż to konieczne. Gdyby wykorzystano wszystkie genomy ludzkiego DNA, liczba mutacji na pokolenie byłaby niewiarygodnie wysoka.

Genomy wielu złożonych zwierząt, takich jak ludzie i naczelne, zawierają DNA, które niczego nie koduje. Ta ogromna ilość niewykorzystanego DNA, różniąca się znacznie w zależności od stworzenia, wydaje się nie zależeć od niczego, co tworzy paradoks C.

7. Nieśmiertelna mrówka na linie

Wyobraź sobie mrówkę czołgającą się po gumowej linie o długości jednego metra z prędkością jednego centymetra na sekundę. Wyobraź sobie również, że lina rozciąga się o jeden kilometr na sekundę. Czy mrówka kiedykolwiek dotrze do końca?

Wydaje się logiczne, że zwykła mrówka nie jest do tego zdolna, ponieważ prędkość jej ruchu jest znacznie niższa niż prędkość, z jaką rozciąga się lina. Jednak mrówka w końcu dotrze do przeciwnego końca.

Kiedy mrówka nawet nie zaczęła się poruszać, 100% liny leży przed nią. Po sekundzie lina stała się znacznie większa, ale mrówka też przeszła pewien dystans, a jeśli policzyć to w procentach, odległość, jaką musi pokonać, zmniejszyła się - jest to już niecałe 100%, choć niedużo.

Chociaż lina stale się rozciąga, niewielka odległość, którą mrówka pokonuje, również się zwiększa. I chociaż ogólnie lina wydłuża się w stałym tempie, droga mrówki staje się nieco krótsza z każdą sekundą. Mrówka również cały czas porusza się do przodu ze stałą prędkością. Zatem z każdą sekundą zwiększa się dystans, który już przebył, a dystans, który musi pokonać, maleje. Oczywiście procentowo.

Rozwiązanie problemu jest jeden warunek: mrówka musi być nieśmiertelna. Zatem mrówka dotrze do końca w 2,8×1043,429 sekundy, czyli nieco dłużej niż istnienie Wszechświata.

8. Paradoks równowagi ekologicznej

Model drapieżnik-ofiara to równanie opisujące rzeczywistą sytuację środowiskową. Model może na przykład określić, jak bardzo zmieni się liczba lisów i królików w lesie. Załóżmy, że w lesie jest coraz więcej trawy, którą zjadają króliki. Można założyć, że taki wynik jest korzystny dla królików, gdyż przy dużej ilości trawy będą się dobrze rozmnażać i zwiększać swoją liczebność.

Paradoks Równowagi Ekologicznej stwierdza, że nie jest to prawdą: początkowo populacja królików rzeczywiście wzrośnie, ale wzrost populacji królików w środowisku zamkniętym (lasie) doprowadzi do wzrostu populacji lisów. Wtedy liczba drapieżników wzrośnie tak bardzo, że najpierw zniszczą całą swoją ofiarę, a potem sami wymrą.

W praktyce paradoks ten nie dotyczy większości gatunków zwierząt, choćby dlatego, że nie żyją one w środowiskach zamkniętych, więc populacje zwierząt są stabilne. Ponadto zwierzęta są zdolne do ewolucji: na przykład w nowych warunkach ofiara rozwinie nowe mechanizmy obronne.

9. Paradoks Trytona

Zbierz grupę znajomych i wspólnie obejrzyjcie ten film. Kiedy skończysz, poproś wszystkich o wyrażenie swojej opinii na temat tego, czy dźwięk zwiększa się, czy zmniejsza podczas wszystkich czterech tonów. Będziesz zaskoczony, jak różne będą odpowiedzi.

Aby zrozumieć ten paradoks, trzeba wiedzieć coś o nutach. Każda nuta ma określoną wysokość, która określa, czy usłyszymy dźwięk wysoki, czy niski. Nuta następnej wyższej oktawy brzmi dwa razy wyżej niż nuta poprzedniej oktawy. Każdą oktawę można podzielić na dwa równe interwały trytonowe.

Na filmie traszka oddziela każdą parę dźwięków. W każdej parze jeden dźwięk jest mieszaniną tych samych nut z różnych oktaw – na przykład kombinacją dwóch nut C, gdzie jedna brzmi wyżej od drugiej. Kiedy dźwięk w trytonie przechodzi z jednej nuty na drugą (na przykład gis pomiędzy dwoma c), można całkiem rozsądnie zinterpretować nutę jako wyższą lub niższą od poprzedniej.

Kolejną paradoksalną właściwością traszek jest wrażenie, że dźwięk stale się obniża, chociaż wysokość dźwięku się nie zmienia. Na naszym filmie możecie obserwować efekt przez całe dziesięć minut.

10. Efekt Mpemby

Przed tobą dwie szklanki wody, dokładnie takie same we wszystkim z wyjątkiem jednej: temperatura wody w lewej szklance jest wyższa niż w prawej. Obie szklanki włóż do zamrażarki. W której szklance woda zamarznie szybciej? Możesz zdecydować, że w tym właściwym, w którym woda była początkowo zimniejsza, jednak gorąca woda zamarznie szybciej niż woda o temperaturze pokojowej.

Ten dziwny efekt został nazwany na cześć studenta z Tanzanii, który zaobserwował go w 1986 roku podczas zamrażania mleka do produkcji lodów. Niektórzy z największych myślicieli – Arystoteles, Francis Bacon i René Descartes – zauważyli już wcześniej to zjawisko, ale nie potrafili go wyjaśnić. Na przykład Arystoteles postawił hipotezę, że jakość ulega poprawie w środowisku przeciwnym do tej cechy.

Efekt Mpemby jest możliwy dzięki kilku czynnikom. W szklance gorącej wody może być mniej wody, gdyż jej część wyparuje i w efekcie mniej wody powinno zamarznąć. Gorąca woda zawiera także mniej gazu, co powoduje, że w takiej wodzie łatwiej będą powstawać prądy konwekcyjne, a co za tym idzie, łatwiej będzie ją zamarznąć.

Inna teoria głosi, że wiązania chemiczne utrzymujące razem cząsteczki wody słabną. Cząsteczka wody składa się z dwóch atomów wodoru połączonych z jednym atomem tlenu. Kiedy woda się nagrzewa, cząsteczki oddalają się nieco od siebie, wiązanie między nimi słabnie, a cząsteczki tracą trochę energii - dzięki temu gorąca woda schładza się szybciej niż zimna woda.

W kosmologii kwestia skończoności lub nieskończoności Wszechświata ma ogromne znaczenie:

jeśli Wszechświat jest skończony, to, jak pokazał Friedman, nie może znajdować się w stanie stacjonarnym i musi albo się rozszerzać, albo kurczyć;
jeśli Wszechświat jest nieskończony, to wszelkie założenia dotyczące jego kompresji lub ekspansji tracą jakiekolwiek znaczenie.

Wiadomo, że tzw. paradoksy kosmologiczne wysuwano jako zarzuty wobec możliwości istnienia Wszechświata nieskończonego, nieskończonego w tym sensie, że ani jego rozmiar, ani czas istnienia, ani masa zawartej w nim materii można wyrazić dowolną, niezależnie od wielkości, liczbą. Zobaczymy, na ile zasadne okażą się te zastrzeżenia.

Paradoksy kosmologiczne - istota i badania

Wiadomo, że główne zarzuty wobec możliwości istnienia Wszechświata nieskończonego w czasie i przestrzeni są następujące.

1. „W 1744 r. szwajcarski astronom J.F. Shezo jako pierwszy zwątpił w słuszność idei nieskończonego Wszechświata: skoro liczba gwiazd we Wszechświecie jest nieskończona, to dlaczego całe niebo nie błyszczy jak powierzchnia pojedynczej gwiazdy? Dlaczego niebo jest ciemne? Dlaczego gwiazdy są oddzielone ciemnymi przestrzeniami? . Uważa się, że ten sam zarzut wobec modelu nieskończonego Wszechświata wysunął w 1823 r. niemiecki filozof G. Olbers. „Kontrargumentem Albersa było to, że światło docierające do nas z odległych gwiazd powinno zostać osłabione na skutek absorpcji w materia na swojej drodze. Ale w tym przypadku sama substancja powinna się rozgrzać i świecić jasno jak gwiazdy. . Jednak tak właśnie jest! Według współczesnych idei próżnia nie jest „niczem”, ale „czymś”, co ma bardzo realne właściwości fizyczne. Dlaczego więc nie założyć, że światło oddziałuje z tym „czymś” w taki sposób, że każdy foton światła poruszając się w tym „coś” traci energię proporcjonalnie do przebytej drogi, w wyniku czego promieniowanie fotonu przesuwa się do czerwona część widma. Naturalnie absorpcji energii fotonów przez próżnię towarzyszy wzrost temperatury próżni, w wyniku czego próżnia staje się źródłem promieniowania wtórnego, które można nazwać promieniowaniem tła. Kiedy odległość Ziemi od emitującego obiektu – gwiazdy, galaktyki – osiąga pewną wartość graniczną, promieniowanie tego obiektu ulega tak dużemu przesunięciu ku czerwieni, że łączy się z promieniowaniem próżni tła. Dlatego chociaż liczba gwiazd w nieskończonym Wszechświecie jest nieskończona, to liczba gwiazd obserwowanych z Ziemi i w ogóle z dowolnego punktu Wszechświata jest skończona - w dowolnym punkcie przestrzeni obserwator widzi siebie jakby w centrum Wszechświata, z którego obserwuje się pewną ograniczoną liczbę gwiazd (galaktyk). Jednocześnie przy częstotliwości promieniowania tła całe niebo błyszczy niczym powierzchnia pojedynczej gwiazdy, którą faktycznie obserwujemy.

2. W 1850 roku niemiecki fizyk R. Clausius „...doszedł do wniosku, że w przyrodzie ciepło przechodzi z ciała ciepłego do zimnego... stan Wszechświata powinien coraz bardziej zmieniać się w określonym kierunku... Idee te rozwinął angielski fizyk William Thomson, według którego wszystkim procesom fizycznym we Wszechświecie towarzyszy przemiana energii świetlnej w ciepło. W konsekwencji Wszechświat stoi w obliczu „śmierci termicznej”, więc nieskończone istnienie Wszechświata w czasie jest niemożliwe. W rzeczywistości tak nie jest. Według współczesnych koncepcji materia zamienia się w „energię świetlną” i „ciepło” w wyniku procesów termojądrowych zachodzących w gwiazdach. „Śmierć termiczna” nastąpi, gdy tylko cała materia we Wszechświecie „spali się” w reakcjach termojądrowych. Oczywiście w nieskończonym Wszechświecie zasoby materii są również nieskończone, dlatego cała materia Wszechświata „wypali się” w nieskończenie długim czasie. „Śmierć cieplna” zagraża raczej skończonemu Wszechświatowi, gdyż zasoby materii w nim zawarte są ograniczone. Jednak nawet w przypadku skończonego Wszechświata jego „śmierć cieplna” nie jest obowiązkowa. Newton powiedział też coś takiego: „Natura kocha przemiany. Dlaczego nie miałoby być takich w szeregu różnych przemian, w których materia zamienia się w światło, a światło w materię?” Obecnie takie przemiany są dobrze znane: z jednej strony materia zamienia się w światło w wyniku reakcji termojądrowych, z drugiej fotony, czyli tzw. Światło pod pewnymi warunkami zamienia się w dwie całkowicie materialne cząstki - elektron i pozyton. Zatem w przyrodzie istnieje obieg materii i energii, który wyklucza „śmierć cieplną” Wszechświata.

3. W 1895 r. niemiecki astronom H. Seeliger „...doszedł do wniosku, że idea nieskończonej przestrzeni wypełnionej materią o skończonej gęstości jest niezgodna z prawem grawitacji Newtona... Jeśli w nieskończonej przestrzeni gęstość materii nie jest nieskończenie mała i co dwie cząstki, zgodnie z prawem Newtona, przyciągają się wzajemnie, wówczas siła grawitacji działająca na dowolne ciało byłaby nieskończenie duża i pod jej wpływem ciała otrzymywałyby nieskończenie duże przyspieszenie.

Jak wyjaśnił na przykład I.D. Nowikowa, istota paradoksu grawitacyjnego jest następująca. „Niech Wszechświat będzie średnio równomiernie wypełniony ciałami niebieskimi, tak aby średnia gęstość materii w bardzo dużych objętościach przestrzeni była taka sama. Spróbujmy obliczyć, zgodnie z prawem Newtona, jaka siła grawitacji wywołana przez całą nieskończoną materię Wszechświata działa na ciało (na przykład galaktykę) umieszczone w dowolnym punkcie przestrzeni. Załóżmy najpierw, że Wszechświat jest pusty. Umieśćmy ciało testowe w dowolnym punkcie przestrzeni A. Otoczmy to ciało substancją o gęstości, która wypełnia kulę o promieniu R do ciała A znalazł się w środku piłki. Bez żadnych obliczeń jest jasne, że dzięki symetrii grawitacja wszystkich cząstek materii kuli w jej środku równoważy się, a wynikowa siła wynosi zero, tj. na ciele A nie jest stosowana żadna siła. Będziemy teraz dodawać do kuli coraz więcej sferycznych warstw materii o tej samej gęstości... sferyczne warstwy materii nie wytwarzają sił grawitacyjnych w wewnętrznej wnęce i dodawanie tych warstw niczego nie zmienia, tj. nadal wynikowa siła grawitacji dla A równy zeru. Kontynuując proces dodawania warstw, ostatecznie dochodzimy do nieskończonego Wszechświata, równomiernie wypełnionego materią, w którym powstająca siła grawitacyjna działająca na A, jest równe zeru.

Rozumowanie można jednak przeprowadzić inaczej. Weźmy jeszcze raz jednolitą kulę o promieniu R w pustym wszechświecie. Umieśćmy nasze ciało nie w środku tej kuli o tej samej gęstości materii co poprzednio, ale na jej krawędzi. Teraz siła grawitacji działająca na ciało A, będzie równe zgodnie z prawem Newtona

F = GMm/R 2 ,

Gdzie M– masa kuli; M– masa ciała badawczego A.

Teraz dodamy do kuli sferyczne warstwy materii. Kiedy do tej kuli zostanie dodana sferyczna powłoka, nie będzie ona dodawać w sobie żadnych sił grawitacyjnych. Dlatego siła grawitacji działająca na ciało A, nie ulegnie zmianie i nadal jest równy F.

Kontynuujmy proces dodawania sferycznych powłok materii o tej samej gęstości. Siła F pozostaje bez zmian. W granicy ponownie otrzymujemy Wszechświat wypełniony jednorodną materią o tej samej gęstości. Jednak teraz na ciele A działa siła F. Oczywiście w zależności od wyboru kulki początkowej można uzyskać siłę F po przejściu do Wszechświata równomiernie wypełnionego materią. Ta niejednoznaczność nazywa się paradoksem grawitacji... Teoria Newtona nie pozwala na jednoznaczne obliczenie sił grawitacyjnych w nieskończonym Wszechświecie bez dodatkowych założeń. Tylko teoria Einsteina pozwala nam obliczyć te siły bez żadnych sprzeczności.

Sprzeczności jednak natychmiast znikają, jeśli przypomnimy sobie, że nieskończony Wszechświat to nie to samo, co bardzo duży:

w nieskończonym wszechświecie, niezależnie od tego, ile warstw materii dodamy do kuli, nieskończenie duża ilość materii pozostaje poza nią;
w nieskończonym Wszechświecie dowolna kula, bez względu na jej promień, mająca na powierzchni ciało testowe, zawsze może zostać otoczona kulą o jeszcze większym promieniu w taki sposób, że zarówno kula, jak i ciało testowe na jej powierzchni będą wewnątrz tej nowej kuli wypełnionej materią o tej samej gęstości, co wewnątrz kuli; w tym przypadku wielkość sił grawitacyjnych działających na ciało testowe od strony kuli będzie równa zeru.

Zatem niezależnie od tego, jak bardzo zwiększymy promień kuli i niezależnie od tego, ile warstw materii dodamy, w nieskończonym Wszechświecie równomiernie wypełnionym materią, wielkość sił grawitacyjnych działających na ciało testowe będzie zawsze równa zeru . Innymi słowy, wielkość sił grawitacyjnych wytwarzanych przez całą materię we Wszechświecie wynosi zero w dowolnym punkcie. Jeżeli jednak poza kulą, na powierzchni której leży ciało badawcze, nie ma żadnej substancji, tj. jeśli cała materia Wszechświata skupiona jest wewnątrz tej kuli, wówczas na ciało testowe leżące na powierzchni tego ciała działa siła grawitacji proporcjonalna do masy materii zawartej w kuli. Pod wpływem tej siły ciało testowe, a w ogóle wszystkie zewnętrzne warstwy materii kuli, zostaną przyciągnięte do jej środka – kula o skończonych wymiarach, równomiernie wypełniona materią, nieuchronnie ulegnie kompresji pod wpływem sił grawitacyjnych . Wniosek ten wynika zarówno z prawa powszechnego ciążenia Newtona, jak i z ogólnej teorii względności Einsteina: Wszechświat o skończonych wymiarach nie może istnieć, gdyż pod wpływem sił grawitacyjnych jego materia musi stale kurczyć się w kierunku centrum Wszechświata.

„Newton zrozumiał, że zgodnie ze swoją teorią grawitacji gwiazdy powinny się przyciągać i dlatego wydawałoby się… powinny spadać na siebie, zbliżając się w pewnym momencie… Newton powiedział, że Więc(dalej podkreślam - wiceprezes) Naprawdę powinno być gdybyśmy tylko mieli finał liczba gwiazdek w ostateczny obszary przestrzeni. Ale... jeśli liczba gwiazdek bez końca i są mniej więcej równomiernie rozproszone nieskończony przestrzeń, potem to nigdy nie nastąpi, ponieważ nie ma centralnego punktu, w którym musiałyby spaść. Argumenty te są przykładem tego, jak łatwo wpaść w kłopoty, gdy mówimy o nieskończoności. W nieskończonym wszechświecie każdy punkt można uznać za środek, ponieważ po obu jego stronach liczba gwiazd jest nieskończona. (Wtedy możesz - V.P.) ... weź skończony układ, w którym wszystkie gwiazdy padają na siebie, kierując się do środka, i zobacz, jakie zmiany zajdą, jeśli dodasz coraz więcej gwiazd, rozmieszczonych w przybliżeniu równomiernie poza obszarem pod namysł. Nieważne, ile gwiazdek dodamy, zawsze będą one skierowane do środka.” Aby więc nie „wpaść w kłopoty”, należy wybrać z nieskończonego Wszechświata pewien skończony obszar, upewnić się, że w takim skończonym obszarze gwiazdy będą spadać w kierunku środka tego obszaru, a następnie rozszerzyć ten wniosek na nieskończony Wszechświat i oświadczam, że istnienie takiego Wszechświata jest niemożliwe. Oto przykład tego, jak „...do wszechświata jako całości...” zostaje przeniesione „...jako coś absolutnego, taki stan... któremu... może podlegać tylko część materii” ( F. Engelsa. Anty-Dühring), np. pojedyncza gwiazda lub gromada gwiazd. W rzeczywistości, ponieważ „w nieskończonym Wszechświecie dowolny punkt można uznać za centrum”, liczba takich punktów jest nieskończona. W jakim kierunku z tej nieskończonej liczby punktów będą się poruszać gwiazdy? I jeszcze jedno: nawet jeśli taki punkt zostanie nagle odkryty, to nieskończona liczba gwiazd będzie przemieszczać się w kierunku tego punktu przez nieskończony czas i kompresja całego nieskończonego Wszechświata w tym punkcie również nastąpi w nieskończonym czasie , tj. nigdy. Inaczej jest, jeśli Wszechświat jest skończony. W takim Wszechświecie istnieje jeden punkt będący centrum Wszechświata - jest to punkt, od którego rozpoczęła się ekspansja Wszechświata i w którym cała materia Wszechświata ponownie się skupi, gdy jej ekspansję zastąpi kompresja . Jest to zatem Wszechświat skończony, tj. Wszechświat, którego wymiary w każdym momencie czasu i ilość skoncentrowanej w nim materii można wyrazić pewnymi skończonymi liczbami, jest skazany na kurczenie się. Będąc w stanie kompresji, Wszechświat nigdy nie będzie mógł wyjść z tego stanu bez jakiegoś wpływu zewnętrznego. Ponieważ jednak poza Wszechświatem nie ma materii, przestrzeni, czasu, jedyną przyczyną ekspansji Wszechświata może być działanie wyrażone słowami „Niech stanie się światłość!” Jak napisał kiedyś F. Engels: „Możemy kręcić się i kręcić, jak nam się podoba, ale... …za każdym razem wracamy ponownie… do palca Bożego” (F. Engels. Anti-Dühring). Palec Boży nie może być jednak przedmiotem badań naukowych.

Wniosek

Analiza tzw. paradoksów kosmologicznych pozwala nam stwierdzić, co następuje.

1. Przestrzeń świata nie jest pusta, ale jest wypełniona jakimś ośrodkiem, czy nazwiemy to medium eterem, czy fizyczną próżnią. Poruszając się w tym ośrodku fotony tracą energię proporcjonalnie do przebytej odległości i odległości, w wyniku czego emisja fotonów przesuwa się do czerwonej części widma. W wyniku oddziaływania z fotonami temperatura próżni lub eteru wzrasta o kilka stopni powyżej zera absolutnego, w wyniku czego próżnia staje się źródłem promieniowania wtórnego odpowiadającego jej temperaturze bezwzględnej, która jest faktycznie obserwowana. Przy częstotliwości tego promieniowania, która w rzeczywistości jest promieniowaniem tła próżni, całe niebo okazuje się równie jasne, jak zakładał J.F. Szzo.

2. Wbrew założeniu R. Clausiusa „śmierć cieplna” nie zagraża nieskończonemu Wszechświatowi, w którym mieści się nieskończona ilość materii, która w nieskończenie długim czasie może zamienić się w ciepło, tj. nigdy. „Śmierć cieplna” zagraża skończonemu wszechświatowi zawierającemu skończoną ilość materii, którą można zamienić w ciepło w skończonym czasie. Dlatego istnienie skończonego Wszechświata okazuje się niemożliwe.

3. W nieskończonym Wszechświecie, którego wymiarów nie da się wyrazić żadną, bez względu na wielkość liczby, równomiernie wypełnionym materią o niezerowej gęstości, wielkość sił grawitacyjnych działających w dowolnym punkcie Wszechświata jest równa do zera - to prawdziwy paradoks grawitacyjny nieskończonego Wszechświata. Równość sił grawitacyjnych do zera w dowolnym punkcie nieskończonego Wszechświata, równomiernie wypełnionego materią, oznacza, że przestrzeń w takim Wszechświecie jest wszędzie euklidesowa.

W skończonym Wszechświecie, tj. we Wszechświecie, którego wymiary można wyrazić pewnymi, choć bardzo dużymi liczbami, na ciało badawcze znajdujące się „na krawędzi” Wszechświata działa siła przyciągania proporcjonalna do masy zawartej w nim materii, jako w wyniku czego ciało to będzie dążyć do centrum Wszechświata - skończony Wszechświat, którego materia jest równomiernie rozłożona w jego ograniczonej objętości, skazany jest na kompresję, która bez jakiegoś zewnętrznego wpływu nigdy nie ustąpi miejsca ekspansji.

Zatem wszelkie zarzuty czy paradoksy, które uważa się za skierowane przeciwko możliwości istnienia Wszechświata nieskończonego w czasie i przestrzeni, w rzeczywistości są skierowane przeciwko możliwości istnienia skończonego Wszechświata. W rzeczywistości Wszechświat jest nieskończony zarówno w przestrzeni, jak i w czasie; nieskończony w tym sensie, że ani wielkość Wszechświata, ani ilość zawartej w nim materii, ani jego czas życia nie mogą być wyrażone przez żadną, niezależnie od tego, jak duże są liczby - nieskończoność, jest to nieskończoność. Nieskończony Wszechświat nigdy nie powstał ani w wyniku nagłej i niewytłumaczalnej ekspansji i dalszego rozwoju jakiegoś obiektu „przedmaterialnego”, ani w wyniku Boskiego stworzenia.

Należy jednak założyć, że powyższe argumenty wydadzą się zwolennikom teorii Wielkiego Wybuchu zupełnie nieprzekonujące. Według słynnego naukowca H. Alfvena: „Im mniej jest dowodów naukowych, tym bardziej fanatyczna staje się wiara w ten mit. Wydaje się, że w obecnym klimacie intelektualnym wielką zaletą kosmologii Wielkiego Wybuchu jest to, że obraża ona zdrowy rozsądek: credo, quia absurdum (wierzę, bo jest absurdalne)” (cyt. Niestety, od pewnego czasu tradycją jest „fanatyczna wiara” w tę czy inną teorię: im więcej pojawia się dowodów na naukową niespójność takich teorii, tym bardziej fanatyczna staje się wiara w ich absolutną nieomylność.

Pewnego razu polemizując ze słynnym reformatorem Kościoła Lutrem, Erazm z Rotterdamu napisał: „Tutaj, wiem, niektórzy, zatykając uszy, z pewnością krzykną: „Erasmus odważył się walczyć z Lutrem!” Czyli mucha ze słoniem. Jeśli ktoś chce przypisać to mojej słabości umysłowej lub niewiedzy, to nie będę się z nim kłócił, nawet jeśli ułomni - choćby dla nauki - będą mogli spierać się z tymi, których Bóg obdarzył bogatszymi. Może moja opinia mnie zwodzi; dlatego chcę być rozmówcą, a nie sędzią, odkrywcą, nie założycielem; Jestem gotowy uczyć się od każdego, kto oferuje coś bardziej poprawnego i niezawodnego... Jeśli czytelnik zobaczy, że wyposażenie mojego eseju jest takie samo jak strony przeciwnej, to sam zważy i oceni, co jest ważniejsze: wyrok wszystkich oświeconych ludzi..., wszystkich uniwersytetów..., czy też prywatna opinia tej czy tamtej osoby... Wiem, że w życiu często bywa tak, że większa część pokonuje najlepszych. Wiem, że dociekając prawdy, nigdy nie jest złym pomysłem dodanie swojej pilności do tego, co zostało już zrobione”.

Tymi słowami zakończymy nasze krótkie studium.

Źródła informacji:

Klimishin I.A. Astronomia relatywistyczna. M.: Nauka, 1983.
Hawking S. Od Wielkiego Wybuchu do czarnych dziur. M.: Mir, 1990.
Nowikow I.D. Ewolucja Wszechświata. M.: Nauka, 1983.
Ginzburg V.L. O fizyce i astrofizyce. Artykuły i przemówienia. M.: Nauka, 1985.

Nauka, zgodnie ze swoją ogólnie przyjętą definicją, twierdzi, że znajduje prawdziwe dowody na pewne wyobrażenie o świecie. Człowiek zawsze starał się wyjaśnić logikę i przyczyny wydarzeń zachodzących wokół niego. Nauka to proces ciągłej odnowy, rewolucji poglądów i zmiany paradygmatu. Nauka ma jednak także swoją piętę achillesową, która poddaje w wątpliwość ogólną możliwość rozsądnej interpretacji i zrozumienia Wszechświata.

Paradoks – termin oznaczający sprzeczność, zderzenie poglądów, stwierdzenie nowego wyroku, który albo stoi w sprzeczności z przyjętym paradygmatem, albo w zasadzie ze zdrowym rozsądkiem. Koncepcja ta, która powstała w starożytności, jest nadal aktualna.

Wiele osób je zna logiczne paradoksy jak paradoks kłamcy czy problem kury i jajka. W tym artykule przyjrzymy się paradoksom, które wykraczają poza życie codzienne i wpływają na jedną z najbardziej tajemniczych i niewytłumaczalnych tajemnic - strukturę Wszechświata.

Paradoks Fermiego

Paradoks Fermiego będzie najbardziej fascynujący dla tych, którzy interesują się problematyką obcych cywilizacji. Czy jesteśmy jedynymi inteligentnymi istotami we wszechświecie? To pytanie zadał kiedyś włoski fizyk. Enrico Fermi, ale nie odpowiedział. Paradoks polega na tym, że zgodnie z równaniem Drake’a, które obliczało przybliżoną liczbę możliwych inteligentnych planet w samej naszej galaktyce (czyli około 100 tysięcy), ludzkość powinna była już dawno skontaktować się z przynajmniej jedną z nich. Jednak przez całe istnienie naszej cywilizacji człowiek nie był w stanie złapać ani jednego obcego sygnału.

Różni naukowcy wymyślili niezliczoną ilość rozwiązań tego paradoksu. Oto niektóre z najczęstszych:

Ziemianie są jedynymi inteligentnymi istotami we Wszechświecie;
Istnieją planety podobne do Ziemi, które są w stanie wytworzyć życie, ale życie na nich jest obecnie na tym samym poziomie, kiedy po naszej planecie biegały dinozaury;
Kolonizacja Drogi Mlecznej i komunikacja z innymi cywilizacjami po prostu nie są interesujące dla obcych ras;
Nasze technologie są zbyt prymitywne, aby odbierać sygnały od supercywilizacji;
Teoria spiskowa: komunikacja z kosmitami została już nawiązana, ale rząd światowy ukrywa to przed nami;
Supercywilizacje istnieją, ale po prostu obserwują nas z boku, jak świnki morskie;
Nasze umysły i zmysły są zbyt prymitywne, aby postrzegać istoty superrozwinięte.

Paradoks bliźniaków

Ten paradoks jest znany każdemu od czasów fizyki w szkole. Przypomnijmy film „Interstellar” (2014), w którym problem ten stał się jednym z głównych wątków fabularnych. W ogólnie przyjętej formie paradoks bliźniaków brzmi następująco: jeden z bliźniaków przebywa na Ziemi, drugi podróżuje w kosmosie. Kiedy drugi powróci na Ziemię, jego brat będzie od niego znacznie starszy, gdyż według zegara ziemskiego upłynie więcej czasu niż według jego własnego. W przeciwieństwie do paradoksu Fermiego, dla którego istnieją dziesiątki możliwych odpowiedzi, paradoks ten ma proste wyjaśnienie. Czas jest względny. Podczas lotu obaj bracia znajdowali się w różnych układach odniesienia, dlatego czas płynął dla nich z różnymi prędkościami.

Paradoks Boga

Paradoks wybijający się z ogólnego obrazu, jednak jak wszystko stara się wyjaśnić odwieczne tajemnice budowy Wszechświata. Czy został stworzony przez jakiegoś Stwórcę, czy też w wyniku Wielkiego Wybuchu?

Paradoks Boga zawiera dwa stwierdzenia. Po pierwsze, Bóg jest wszechmocny. Po drugie, Bóg jest wszechmocny. Pytanie: Czy wszechmocny Bóg może stworzyć taki kamień, że nawet wszechmocny Bóg nie będzie w stanie go podnieść? Paradoks polega na tym, że. Jeśli Bóg może stworzyć taki kamień, ale nie może go podnieść, to znaczy, że nie jest wszechmocny. Jeśli Bóg nie może czegoś stworzyć, to w związku z tym nie jest wszechmocny. Paradoks ten był postrzegany w zachodniej tradycji religijnej jako dowód na niemożność istnienia Boga. Z drugiej strony kwestia wszechmocy Boga wywołała spór o to, czym Bóg jest w ogóle i czy może zastosować swoją wszechmoc do siebie.

Paradoks gwiaździstego nieba

Inna nazwa - paradoks fotometryczny. Weźmy nieskończony Wszechświat i umieśćmy w nim nieskończoną liczbę gwiazd. Na tej podstawie możemy założyć, że niebo powinno być całkowicie jasne i nie powinno być żadnych ciemnych obszarów. W rzeczywistości obserwujemy sytuację odwrotną.

Zaproponowano rozwiązanie tego paradoksu Williama Thomsona na podstawie wieku wszechświata. Miliardy lat minęły od Wielkiego Wybuchu, zanim mogły w nim powstać gwiazdy, kwazary i galaktyki, a to całe miliardy lat świetlnych od nas. W rezultacie światło, które musi pokonać ogromną odległość do Ziemi, pokazuje nam, co wydarzyło się na długo przed narodzinami pierwszych gwiazd.

Paradoksy naukowe i logiczne nieustannie stanowią dla człowieka zagadkę. Niektóre są w trakcie rozwiązywania, inne pozostają na poziomie hipotez i założeń. Ale wszystkie prowokują ludzkość do ciągłego poszukiwania odpowiedzi na swoje pytania, aby szybko zbliżyć się do tajemnicy Wszechświata, wyjaśnić sens swojego istnienia.

Kosmologiczne paradoksy Wszechświata

Paradoksy kosmologiczne— trudności (sprzeczności), które pojawiają się przy rozszerzaniu praw fizyki na Wszechświat jako całość lub na jego wystarczająco duże obszary. Klasyczny obraz świata XIX wieku okazał się dość kruchy w obszarze kosmologii Wszechświata, ze względu na konieczność wyjaśnienia 3 paradoksów: fotometrycznego, termodynamicznego i grawitacyjnego. Zapraszamy do wyjaśnienia tych paradoksów z punktu widzenia współczesnej nauki.

Paradoks fotometryczny (J. Chezo, 1744; G. Olbers, 1823) sprowadzało się do wyjaśnienia pytania „Dlaczego w nocy jest ciemno?”
Jeśli Wszechświat jest nieskończony, to jest w nim niezliczona ilość gwiazd. Przy stosunkowo równomiernym rozmieszczeniu gwiazd w przestrzeni liczba gwiazd znajdujących się w danej odległości wzrasta proporcjonalnie do kwadratu odległości do nich. Ponieważ jasność gwiazdy maleje proporcjonalnie do kwadratu odległości do niej, osłabienie ogólnego światła gwiazd spowodowane ich odległością powinno być dokładnie kompensowane przez wzrost liczby gwiazd, a cała sfera niebieska powinna świecić równomiernie i jasno. Ta sprzeczność z tym, co obserwuje się w rzeczywistości, nazywa się paradoksem fotometrycznym.
Paradoks ten został po raz pierwszy sformułowany w całości przez szwajcarskiego astronoma Jean-Philippe Louisa de Chaizeau (1718-1751) w 1744 r., choć podobne myśli wyrażali już wcześniej inni naukowcy, w szczególności Johannes Kepler, Otto von Guericke i Edmund Halley. Paradoks fotometryczny jest czasami nazywany paradoksem Olbersa, od nazwiska astronoma, który zwrócił na niego uwagę w XIX wieku.
Prawidłowe wyjaśnienie paradoksu fotometrycznego zaproponował słynny amerykański pisarz Edgar Allan Poe w kosmologicznym poemacie „Eureka” (1848); szczegółowe matematyczne podejście do tego rozwiązania przedstawił William Thomson (Lord Kelvin) w 1901 roku. Opiera się na skończonym wieku Wszechświata. Ponieważ (według współczesnych danych) ponad 13 miliardów lat temu we Wszechświecie nie było galaktyk i kwazarów, najdalsze gwiazdy, które możemy obserwować, znajdują się w odległościach 13 miliardów lat świetlnych. lata. Eliminuje to główne założenie paradoksu fotometrycznego – że gwiazdy znajdują się w dowolnej odległości od nas, niezależnie od tego, jak duża. Wszechświat obserwowany z dużych odległości jest tak młody, że jeszcze nie powstały w nim gwiazdy. Należy zauważyć, że nie jest to w żaden sposób sprzeczne z zasadą kosmologiczną, z której wynika bezgraniczność Wszechświata: to nie Wszechświat jest ograniczony, ale tylko ta jego część, w której podczas przybycia światła udało się narodzić pierwsze gwiazdy do nas.
Przesunięcie ku czerwieni galaktyk również w pewnym (znacznie mniejszym) stopniu przyczynia się do zmniejszenia jasności nocnego nieba. Rzeczywiście, odległe galaktyki mają (1+ z) dłuższa długość fali promieniowania niż galaktyki w bliskich odległościach. Ale długość fali jest powiązana z energią światła zgodnie ze wzorem ε= hc/λ. Dlatego energia fotonów odbieranych przez nas z odległych galaktyk wynosi (1+ z) razy mniej. Co więcej, jeśli pochodzi z galaktyki z przesunięciem ku czerwieni z dwa fotony są emitowane w odstępie czasu δ T, wówczas odstęp między odbiorem tych dwóch fotonów na Ziemi będzie inny (1+ z) razy większe, zatem natężenie odbieranego światła jest tyle samo razy mniejsze. W rezultacie otrzymujemy, że całkowita energia docierająca do nas z odległych galaktyk wynosi (1+ z)² razy mniej, niż gdyby ta galaktyka nie oddaliła się od nas w wyniku ekspansji kosmologicznej.

Paradoks termodynamiczny (Clausius, 1850), wiąże się ze sprzecznością drugiej zasady termodynamiki i koncepcji wieczności Wszechświata. Zgodnie z nieodwracalnością procesów termicznych wszystkie ciała we Wszechświecie dążą do równowagi termicznej. Jeśli Wszechświat istnieje nieskończenie długo, to dlaczego w przyrodzie nie nadeszła jeszcze równowaga termiczna i dlaczego procesy termiczne wciąż trwają?

Paradoks grawitacyjny

W myślach wybierz kulę o promieniu R 0 tak, że komórki niejednorodności w rozkładzie materii wewnątrz kuli są nieznaczne, a średnia gęstość jest równa średniej gęstości Wszechświata r. Niech na powierzchni kuli będzie ciało o masie M na przykład Galaktyka. Zgodnie z twierdzeniem Gaussa o polu centralnie symetrycznym siła grawitacji wywierana przez substancję o masie M, zamknięty wewnątrz kuli, będzie działał na ciało tak, jakby cała materia była skupiona w jednym punkcie, znajdującym się w środku kuli. Jednocześnie reszta materii Wszechświata nie wnosi żadnego wkładu do tej siły.

Wyraźmy masę poprzez średnią gęstość r: . Niech wtedy - przyspieszenie swobodnego spadania ciała do środka kuli zależy tylko od promienia kuli R 0. Ponieważ promień kuli i położenie środka kuli są dobierane arbitralnie, powstaje niepewność co do działania siły na masę testową M i kierunek jego ruchu.

(Paradoks Neumanna-Seligera, nazwany na cześć niemieckich naukowców K. Neumanna i H. Zeligera, 1895) opiera się na założeniach o nieskończoności, jednorodności i izotropii Wszechświata, ma mniej oczywisty charakter i polega na tym, że prawo Newtona uniwersalna grawitacja nie daje rozsądnej odpowiedzi na pytanie o pole grawitacyjne wytwarzane przez nieskończony układ mas (chyba że poczyni się bardzo szczególne założenia co do natury przestrzennego rozkładu tych mas). W przypadku skal kosmologicznych odpowiedź daje teoria A. Einsteina, w której prawo powszechnego ciążenia jest udoskonalone dla przypadku bardzo silnych pól grawitacyjnych.