39.Астрономическая картина мира.Теория большого взрыва. Инфляционный сценарии развития Вселенной в современной космологии. Космонавтика

научная картина мира и ее развитие

Научная картина мира (НКМ) – творение тысяч авторов, от живших в эпоху предыстории науки до наших современников. Уже это, казалось бы, должно делать НКМ неохватной для ума и необозримой для глаза, – если бы не свойство НКМ упорядочивать, систематизировать и концентрировать безграничные груды фактов и наблюдений, идей и гипотез... НКМ приводит в систему множество аспектов исследования; открытых различными науками законов природы, частных гипотез и теорий. Суммируем ряд основных положений, характеризующих НКМ, в нашем понимании ее [2,3].

НКМ – это система наиболее обобщенных представлений о той или иной области (или о том или ином аспекте) действительности, формирующаяся как результат неограниченной экстраполяции достоверных знаний (т.е. установленных и подтвержденных опытом и наблюдением, в пределах доступной точности), на область, еще не доступную такой проверке.

НКМ возникает в процессе познания действительности, благодаря стремлению к целостному восприятию окружающего мира, независимо от объема и „прочности” имеющегося набора достоверных сведений о нем. Более того, чем уже и слабее фундамент, тем более всеохватной оказывается НКМ, испытывающая меньше запретов при своем формировании. Такой и была всеобъемлющая „космофизическая” картина мира у всех древних цивилизаций. С развитием самой науки НКМ расщепляется. В наше время в состав общей НКМ входят ее части различной степени фундаментальности и универсальности: наиболее универсальная Физическая КМ (ФКМ), опирающиеся на нее частные аспекты НКМ – Астрономическая (АКМ), Биологическая (БКМ), Химическая (ХКМ) и т.д.

Существенно, что любая НКМ – это лишь модель действительности, того или иного ее аспекта или грани.

Большо́й взрыв (англ. Big Bang) — космологическая теория начала расширения Вселенной, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии.

Современные представления теории Большого взрыва и теории горячей Вселенной

По современным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла 13,7 ± 0,13 млрд лет назад[1] из некоторого начального «сингулярного» состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается. Согласно известным ограничениям по применимости современных физических теорий, наиболее ранним моментом, допускающим описание, считается момент Планковской эпохи с температурой примерно 1032 К (Планковская температура) и плотностью около 1093 г/см³ (Планковская плотность). Ранняя Вселенная представляла собой высокооднородную и изотропную среду с необычайно высокой плотностью энергии, температурой и давлением. В результате расширения и охлаждения во Вселенной произошли фазовые переходы, аналогичные конденсации жидкости из газа, но применительно к элементарным частицам.

Приблизительно через 10−35 секунд после наступления Планковской эпохи (Планковское время — 10−43 секунд после Большого взрыва, в это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий) фазовый переход вызвал экспоненциальное расширение Вселенной. Данный период получил название Космической инфляции. После окончания этого периода строительный материал Вселенной представлял собой кварк-глюонную плазму. По прошествии времени температура упала до значений, при которых стал возможен следующий фазовый переход, называемый бариогенезисом. На этом этапе кварки и глюоны объединились в барионы, такие как протоны и нейтроны. При этом одновременно происходило асимметричное образование как материи, которая превалировала, так и антиматерии, которые взаимно аннигилировали, превращаясь в излучение.

Дальнейшее падение температуры привело к следующему фазовому переходу — образованию физических сил и элементарных частиц в их современной форме. После чего наступила эпоха нуклеосинтеза, при которой протоны, объединяясь с нейтронами, образовали ядра дейтерия, гелия-4 и ещё нескольких лёгких изотопов. После дальнейшего падения температуры и расширения Вселенной наступил следующий переходный момент, при котором гравитация стала доминирующей силой. Через 380 тысяч лет после Большого взрыва температура снизилась настолько, что стало возможным существование атомов водорода (до этого процессы ионизации и рекомбинации протонов с электронами находились в равновесии).

История открытия Большого взрыва

1916 — вышла в свет работа физика Альберта Эйнштейна «Основы общей теории относительности», в которой он завершил создание релятивистской теории гравитации

1923 — немецкий математик Г. Вейль отметил, что если в модель де Ситтера, которая соответствовала пустой Вселенной, поместить вещество, она должна расширяться. О нестатичности Вселенной де Ситтера говорилось и в книге А. Эддингтона, опубликованной в том же году.

2003 — спутник WMAP с высокой степенью точности измеряет анизотропию реликтового излучения. Вместе с данными предшествующих измерений (COBE, Космический телескоп Хаббла и др.), полученная информация подтвердила космологическую модель ΛCDM и инфляционную теорию. С высокой точностью был установлен возраст Вселенной и распределение по массам различных видов материи (барионная материя — 4 %, тёмная материя — 23 %, тёмная энергия — 73 %).

2009 — запущен спутник Планк, который в настоящее время измеряет анизотропию реликтового излучения с ещё более высокой точностью.

Инфляционная модель Вселенной

Теории инфляции описывают предполагаемую стадию расширения Вселенной, начавшуюся спустя ~10−42с после Большого Взрыва, носящую название инфляционной стадии. Эта идея позволяет объяснить плоскую геометрию пространства. Кроме этого теория инфляции предполагает рождение наблюдаемой Вселенной из маленькой изначально причинно-связанной области, что объясняет однородность и изотропность Вселенной. Хаббловское расширение же становится движением по инерции благодаря большой кинетической энергии, накопленной в ходе инфляции.

Любое инфляционное расширение начинается с планковских размеров и времён, когда современные законы физики начинают адекватно описывать происходящие в тот период процессы. Единственная причина ускоренного расширения в рамках ОТО — это отрицательное давление. Такое давление можно описать неким скалярным полем, называемым инфлантоном. В частности, таким же образом можно описать и давление физического вакуума (космологическую константу). В конце инфляционной стадии это поле должно распадаться, в противном случае экспоненциальное расширение никогда не закончится.

Основной класс моделей инфляции основывается на предположении о медленном скатывании: потенциал инфлантона медленно уменьшается до значения, равного нулю. Начальное значение может задаваться по-разному: это может быть значение начальных квантовых возмущений, а может быть строго фиксированным. Конкретный вид потенциала зависит от выбранной теории.

Теории инфляции также делятся на бесконечные и конечные во времени. В теории с бесконечной инфляцией существуют области пространства — домены — которые начали расширяться, но из-за квантовых флуктуаций вернулись в первоначальное состояние, в котором возникают условия для повторной инфляции. К таким теориям относится любая теория с бесконечным потенциалом и хаотическая теория инфляции Линде.

К теориям с конечным временем инфляции относится гибридная модель. В ней существует два вида поля: первое ответственно за большие энергии (а значит за скорость расширения), а второе за малые, определяющие момент завершения инфляции. В таком случае квантовые флуктуации могут повлиять только на первое поле, но не на второе, а значит и сам процесс инфляции конечен.

К нерешенным проблемам инфляции можно отнести скачки температуры в очень большом диапазоне, в какой-то момент она падает почти до абсолютного нуля. В конце инфляции происходит повторный нагрев вещества до высоких температур. На роль возможного объяснения столь странного поведения предлагается «параметрический резонанс».

Космона́втика(от греч. κόσμος — Вселенная и ναυτική — искусство мореплавания, кораблевождение) — процесс исследования космического пространства при помощи автоматических и пилотируемых космических аппаратов, а также сами полёты в космическом пространстве.

Сам термин был предложен одним из пионеров советской ракетной техники Г. Э. Лангемаком.

Основу ракетостроения заложили в своих трудах в начале XX века Константин Циолковский, Герман Оберт, Роберт Годдард и Рейнхольд Тилинг. Важным шагом стал запуск с космодрома Байконур первого искусственного спутника Земли в 1957 году СССР — Спутника-1.

Грандиозным свершением и отправной точкой развития пилотируемой космонавтики стал полёт советского космонавта Юрия Гагарина 12 апреля 1961 года. Другое выдающееся событие в области космонавтики — высадка человека на Луну состоялось 21 июля 1969 года. Американский астронавт Нил Армстронг сделал первый шаг по поверхности естественного спутника Земли со словами: —"Это маленький шаг для одного человека, но огромный скачок для всего человечества".