РазделV. Панорама современного естествознания

Тема 5.1. Космология (мегамир)

O Основные понятия

Космология – наука о Вселенной в целом, ее строении и эволюции

Космологические представления Аристотеля: шарообразная неоднородная Вселенная

Геоцентрическая система мира Птолемея

Гелиоцентрическая система мира Коперника

Ньютоновская космология: безграничная, бесконечная, однородная и неизменная Вселенная

Общая теория относительности как теоретическая основа современной научной космологии

Вселенная Эйнштейна: однородна, изотропна и равномерно заполнена материей, преимущественно в форме вещества

Космологическая модель Фридмана: Вселенная нестационарна

Наблюдаемая однородность Вселенной в очень больших масштабах

Наблюдательное подтверждение нестационарности Вселенной: красное смещение в спектрах галактик, возникающее благодаря эффекту Доплера при их удалении от наблюдателя (разбегание галактик)

Закон Хаббла: скорость разбегания галактик пропорциональна расстоянию до них

Постоянная Хаббла

Возраст Вселенной — понятие (время, прошедшее с момента начала расширения) и современные оценки (12–15 млрд. лет)

Понятие о космологической сингулярности

& Краткое содержание

Эволюция Вселенной. Модели происхождения и эволюции Вселенной.

Мегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел.

Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд, звезд и звездных систем – галактик. Все существующие галактики входят в систему самого высокого порядка – Метагалактику. Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах.Вселенная– это весь существующий материальный мир,Метагалактика– упорядоченная система галактик, т.е. тот же материальны мир, но с точки зрения его структуры.

Вселенная представляет собой самую крупную вещественную систему, т.е. систему объектов, состоящих из вещества.

Впервые порвать с мифологическими представлениям и понять устройство мира с позиции реальности попытались древние греки (Пифагор, Эратосфен, Аристарх Самосский, Платон, Аристотель и др.).

Вопрос о происхождении и эволюции Вселенной является самой грандиозной проблемой современного естествознания. Наиболее эффективными для решения этих проблем является радиоастрономические методы исследования.

Геоцентрическая модель Птолемея

1. Центром мироздания является Земля.

2. Пространство Вселенной конечно и ограничено сферой удаленных неподвижных звезд.

3. Вселенная – совершенной творение Бога и неизменная в своих основных чертах (стационарна).

Гелиоцентрическая модель Н. Коперника:

1. В центре мира находится Солнце.

2. Вселенная бесконечна.

3. Вселенная стационарна.

Модель Вселенной И.Ньютона (классическая ньютоновская космология) – теория стационарного состояния Вселенной– Вселенная почти всегда была такой же, как сейчас

1. Вселенная – всесуществующая, это «мир в целом». Космология познает мир таким, как он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания.

2. Пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов (материи и движения). Пространство подчиняется евклидовой геометрии, в которой кратчайшими расстояниями между двумя точками являются отрезки прямых линий.

3. Пространство и время метрически бесконечны.

4. Пространство и время однородны и изотропны.

5. Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменятся могут конкретные космические системы, но не мир в целом.

Модель Вселенной А. Эйнштейна – модель однородной изотропной стационарной Вселенной

1. Метрика пространства и времени согласно общей теории относительности определяется распределением гравитационных масс во Вселенной.

2. Свойства Вселенной как целого обусловлены средней плотностью материи и другими конкретными физическими факторами.

3. Мировой пространство однородно и изотропно (свойства Вселенной одинаковы во всех направлениях).

4. Материя в целом распределена во Вселенной равномерно.

5. Гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием.

6. Метрика пространства рассматривается как независимая от времени, поэтому Вселенная стационарна.

7. Время существования Вселенной безгранично, т.е. она не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

Итак, Вселенная в модели А.Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве. Ее можно представить как сферу, обладающую постоянным радиусом кривизны.

Модель Вселенной А.А. Фридмана – модель расширяющейся Вселенной (1922 г.)

1. Отброшен постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получено решение уравнений Эйнштейна, описывающее Вселенную с «расширяющимся» пространством.

2. Решение уравнений Фридмана допускает три возможности:

• если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается неевклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния.

• если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского * и также неограниченно расширяется.

• если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым **, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния.

Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной неизвестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этих пространств Вселенной мы живем.

* через точку вне прямой можно провести бесчисленное множество прямых, параллельных данной (постулат Лобачевского).

** точку вне прямой нельзя провести ни одной прямой, параллельной данной (постулат Римана).

В 1927 г. бельгийский аббат и ученый Ж. Леметрсвязал «расширение» пространства с данными астрономических наблюдений. он ввел понятие начала Вселенной как сингулярности (т.е. сверхплотного состояния) и рождения Вселенной как Большого взрыва. Согласно теоретическим расчетам Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10^-12см, что близко по размерам к радиусу электрона. В сингулярном состоянии Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва.

В 1929 г. американский астроном Хабблобнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, - система галактик расширяется.

Расширение Вселенной считается научно установленным фактом, однако однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели в настоящее время не представляется возможным.

Модель горячей Вселенной Г.А. Гамова – космология Большого взрыва

1. Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13 – 20 млрд. лет. Температура вещества была великаи падала с расширением Вселенной.

2. Согласно расчетам, Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур.

Для наглядности начальную стадию эволюции Вселенной делят на «эры»:

• Эра адронов(тяжелых частиц, вступающих в сильные взаимодействия): продолжительность эры – 0,0001 с, температура 10¹²К, плотность 10¹⁴г / см³ . В конце эры происходит аннигиляция частиц и античастиц., но остается некоторое количество протонов, гиперонов, мезонов.

• Эра лептонов(легких частиц, вступающих в электромагнитное взаимодействие): продолжительность эры – 10 с, температура 10¹⁰К, плотность 10⁴г / см³ . Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами.

• Фотонная эра: продолжительность эры – 1 млн. лет, температура 10¹⁰К в начале эры и 3000 К – в конце эры, плотность 10⁴г / см³ в начале и 10^-21г/ см³в конце. Основная доля массы-энергии Вселенной приходится на фотоны. Главную роль играет излучение, которое в конце эры отделяется от вещества.

• Звездная эранаступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. Начинается процесс образования протозвезд и протогалактик.

• Затем начинается образование структуры Метагалактики.

Инфляционная модель Вселенной

1. Рассматривается творение Вселенной. Идея творения имеет очень сложное обоснование и связана с квантовой космологией. Усматривается соответствие между этапами космической эволюции и этапами творения мира, описанными в книге Бытия и Библии.

2. Описывается эволюция Вселенной, начиная с момента 10^-45с после начала расширения.

3. Этапы космической эволюции ранней Вселенной:

• Начало Вселенной: состояние квантовой супергравитации с радиусом Вселенной в 10^-50см (для сравнения радиус ядра атома 10^-13см, размер атома 10^-8см). Основные события в ранней Вселенной разыгрывались за ничтожно малый промежуток времени от 10^-45с до 10^-30с.

• Стадия инфляции: в результате квантового скачка Вселенная перешла в состояние возбужденного вакуума и в отсутствии в ней вещества и излучения интенсивно развивалась по экспоненциальному закону. В этот период создавалось само пространство и время Вселенной. Продолжительность стадии 10^-34с. Вселенная за этот промежуток времени раздулась от невообразимо малых квантовых размеров 10^-33см до невообразимо больших 10^1000000см, что намного порядков превосходит размер наблюдаемой Вселенной (10²⁸см). Весь этот период во Вселенной не было ни вещества, ни излучения.

• Переход от инфляционной стадии к фотонной: состояние ложного вакуума распалось, высвободившаяся энергия пошла на рождение частиц и античастиц, которые, проаннигилировав, дали мощную вспышку изучения (света), осветившего космос.

• Этап отделения вещества от излучения: оставшееся после аннигиляции вещество стало прозрачным для излучения, контакт между веществом и излучением пропал. Отделившееся от вещества излучение составляет современный реликтовый фон.

В дальнейшем развитие Вселенной шло в направлении от максимально простого однородного состояния к создании. все более сложных структур – атомов (первоначально атомов водорода), галактик, звезд, планет, синтезу тяжелых металлов в недрах звезд, возникновению жизни и человека.

ИТАК,

Одно из важнейших свойств Вселенной — она расширяется, причём ускоренно. Чем дальше расположен объект от нашей галактики, тем быстрее он от нас удаляется (но это не означает, что мы находимся в центре мира: то же самое справедливо для любой точки пространства). Расширение Вселенной началось с сингулярного состояния (когда любые две точки в наблюдаемой ныне Вселенной были сколь угодно близки друг к другу, а плотность вещества бесконечна) так называемым Большим взрывом.

Космическое время	Эпоха. Характерные процессы.
0	Сингулярность. Большой взрыв.
10^-43 с	Планковский момент. Возникновение реликтовых гравитонов. Для описания этой эпохи неприменима современная теория гравитации (неквантовая)
10^-6 с	Адронная эра. Аннигиляция протон-антипротонных
1 с	Лептонная эра. Аннигиляция электрон-позитронных пар
1 мин	Радиационная эра. Ядерный синтез гелия и дейтерия
10 000 лет	Эра вещества. Во Вселенной начинает доминировать вещество
300 000 лет	Эпоха отделения излучения от вещества. Вселенная становится прозрачной
1-2 млрд. лет	Начало образования галактик
3 млрд. лет	Галактики начинают образовывать скопления
4 млрд. лет	Сжатие нашей протогалактикй
4,1 млрд. лет	Образуются первые звезды
5 млрд. лет	Рождение квазаров
15,2 млрд. лет	Образование межзвездного облака, давшего начало Солнечной системе
15,3 млрд. лет	Сжатие протосолнечной туманности
15,4 млрд. лет	Образование планет, затвердение пород
16,1 млрд. лет	Археозойская эра. Образование самых старых земных пород
17 млрд. лет	Зарождение микроорганизмов