Космология

Как развивалась современная наука космология

Прежде, чем перейти к современным достижениям в области космологии, стоит сказать о некоторых других этапах исследований.

В первую очередь нужно отметить труды Николая Коперника (15 век). В своих работах он обобщил все накопленные за прошлые периоды знания. Сюда же вошли труды Самосского, Леонардо да Винчи, Гераклита и Кузо. Основой идеи стало то, что Солнечная система была инерциальной. То есть, в центре находилось солнце. вокруг которого двигались планеты, в том числе и Земля.

Солнечная система

Несколько позднее свой вклад внёс Кеплер. В конце концов, он основал три важнейшие теории. На самом деле именно их впоследствии использовал Ньютон для законов динамики.

В остальном же, другие наиболее существенные открытия произошли в 20 веке. Как мы уже упоминали выше, первыми своими наработками поделились Эйнштейн, Фридман и Хаббл. Далее же Фриц Цвикки выдвигает идею о существовании определенного вещества — тёмной материи. Она не реагирует с электромагнитным излучением, но участвует в гравитационном воздействии.

Тёмная материя

Следующими выделились Гамов (с теорией горячей Вселенной), Пензиас и Вилсон (открыли изотропный источник помех в радиодиапазоне).

В заключении, можно сказать что физические законы достаточно плотно связаны с космологией. Многие результаты и доказательства теорий были обоснованы именно с физической точки зрения.

Теоретическая астрономия[]

Основная статья: Теоретическая астрономия

Астрономы-теоретики используют широкий спектр инструментов, которые включают аналитические модели (например, политропы для приближенного поведения звезд) и расчеты численных моделирований. Каждый из методов имеет свои преимущества. Аналитическая модель процесса, как правило, лучше дает понять суть того, почему это (что-то) происходит. Численные модели могут свидетельствовать о наличии явлений и эффектов, которых, вероятно, иначе не было бы видно.

Теоретики в области астрономии стремятся создавать теоретические модели и выяснить в исследованиях последствия этих моделирований. Это позволяет наблюдателям искать данные, которые могут опровергнуть модель или помогает в выборе между несколькими альтернативными или противоречивыми моделями. Теоретики также экспериментируют в создании или видоизменению модели с учетом новых данных. В случае несоответствия общая тенденция состоит в попытке сделать минимальными изменения в модели и откорректировать результат. В некоторых случаях большое количество противоречивых данных со временем может привести к полному отказу от модели.

Темы, которые изучают теоретические астрономы: звездная динамика и эволюция галактик; крупномасштабная структура Вселенной; происхождения космических лучей, общая теория относительности и физическая космология, в частности космологии звезд и астрофизика. Астрофизические относительности служат как инструмент для оценки свойств крупномасштабных структур, для которых гравитация играет значительную роль в физических явлениях и основой для исследований черных дыр, астрофизики и изучения гравитационных волн. Некоторые широко приняты и изучены теории и модели в астрономии, теперь включены в Lambda-CDM модели, Большой Взрыв, расширение космоса, темной материи и фундаментальные теории физики .

Вопросы и ответы

Космология, несмотря на всю свою сложность, уже смогла найти ответы на некоторые глобальные ответы. Да, они, наверное, не настолько исчерпывающие, как хотелось бы. Однако лучше что-то, чем ничего.

Один из наиболее распространенных из подобных вопросов звучит так: где произошел Большой взрыв? И на него, наверное, дан самый сложный ответ. Он таков: Большой взрыв произошел не в какой-то определенной точке Вселенной. Он произошел сразу и везде. Потому что, в конце концов, именно в этот момент появились пространство и время. Во Вселенной нет места, на которое мы могли бы указать и сказать «здесь произошел Большой взрыв!».

Но если все галактики удаляются от нас, возникает вопрос – не означает ли это, что мы находимся в центре Вселенной? Ответ на него довольно прост. Если бы мы оказались в какой-то другой галактике, то увидели бы тот же эффект. В некотором смысле это похоже на представление Вселенной в виде гигантского воздушного шара. Если вы отметите на нем несколько точек, и начнете его надувать, все точки будут равномерно удаляться от остальных. Хотя ни одна из них и не находится в условном центре поверхности шара.

Возникновение Астрономии[править | править код]

Астрономия — наиболее древняя среди естественных наук, в переводе с греческого (греч. αστροννομος , от αστρον — звезда, νομος — закон) наука о расположении, строении, свойствах, происхождении, движении и развитии космических тел (звезд, планет, метеоритов и т. п. ) образованных ими систем (звездные скопления, галактики и т. п. ) и всей Вселенной в целом.

Астрономия, как и все другие науки, возникла из практических потребностей человека. О связи наблюдений небесных светил с практической жизнью и об их влиянии на общественные процессы писал и Коперник: «необходимость вычислять периоды повышения и спада воды в Ниле создала египетскую астрономию, а вместе с тем господство касты жрецов как руководителей земледелия». Обычно называют две причины возникновения этой науки: необходимость ориентироваться на местности и регламентация сельскохозяйственных работ. Кочевым племенам первобытного общества нужно было ориентироваться при своих странствиях, и они научились это делать по Солнцу, Луне и звездам. Первобытный земледелец должен был при полевых работах учитывать наступление различных сезонов года, и он заметил, что смена времен года связана с полуденной высотой Солнца, с появлением па ночном небе определенных звезд. Дальнейшее развитие человеческого общества вызвало потребность в измерении времени и в летосчислении (составлении календарей). В древности и средние века не одно только чисто научное любопытство побуждало производить вычисления, копирование, исправления астрономических таблиц, но прежде всего тот факт, что они были необходимы для астрологии. Вкладывая большие суммы в построение обсерваторий и точных инструментов, власти ожидали отдачи не только в виде славы покровителей науки, но также в виде астрологических предсказаний. Первые записи астрономических наблюдений, подлинность которых несомненна, относятся к VIII в. до н. э.

С развитием человеческого общества перед астрономией выдвигались все новые и новые задачи, для решения которых нужны были более совершенные способы наблюдений и более точные методы расчетов. Астрономические познания были характерны для многих древних народов.

Сингулярность

Согласно общей теории относительности в центре чёрной дыры находится сингулярность. Это область, где нет времени и не применимы законы физики. Область, где всё сжимается до крошечных размеров под высоким давлением.

В космологии есть три понятия: космологическая сингулярность, гравитационная сингулярность и голая сингулярность.

Гравитационная сингулярность

Это место в пространственно-временном континууме, через которое нельзя провести кривую (геодезическую линию), и где не работают законы теории относительности.

В физике, в частности по общей теории относительности, тела, обладающие малым зарядом и массой, движутся по геодезической линии пространственно-временного континуума.

Но в гравитационной сингулярности законы физики не применяются. Поэтому и линии провести невозможно.

Голая сингулярность

Это некая область в пространственно-временном континууме, в которой не действует один из общих принципов в физике — принцип причинности.

Этот принцип формулирует, как происшествия или действия воздействуют друг на друга. То есть согласно ему будущие действия не могут изменять происшествия в прошлом.

Иными словами, наше будущее не воздействует на наше прошлое и не обуславливает его.

По версиям физиков, попав в голую сингулярность, можно увидеть и прошлое, и будущее. Но чтобы туда попасть, нужно попасть в чёрную дыру, что делает опыты по изучению такой сингулярности довольно затруднительными, так как из чёрной дыры нельзя выбраться.

Теория относительности

Альберт Эйнштейн — учёный, физик-теоретик (1879–1955)

Альберт Эйнштейн формулирует в 1905 году специальную теорию относительности и общую теорию относительности в 1915–1916 годах.

Специальная теория относительности

Если два объекта движутся прямолинейно и с постоянной скоростью, то ни один из них не может быть системой отсчёта

Важно определять их движение только относительно друг друга

Общая теория относительности

Эйнштейн пытался объяснить, откуда берётся гравитация. Согласно его теории крупные тела искажают пространственно-временной континуум. Это приводит к возникновению гравитации.

Читайте подробнее про Теорию относительности.

Модель «Большого отскока»

Вот так все было. Или не было.

Согласно одной из гипотез, низкий уровень энтропии нашей Вселенной связан с тем, что ее появление само по себе стало результатом распада некоей «предыдущей» Вселенной. В этой гипотезе говорится, что наша Вселенная могла образоваться в результате стремительного сжатия («отскока»), управляемого сложными эффектами квантовой гравитации (сингулярностью), в свою очередь, породившими Большой взрыв. В свою очередь, это может говорить о том, что мы с одинаковым успехом можем жить как в любой точке бесконечной последовательности возникающих Вселенных, так и, наоборот, в «первой итерации» Вселенной.

Данную гипотетическую модель появления Вселенной еще иногда называют моделью «Большого отскока». Первое упоминание этого термина звучит еще в 60-х, однако в более-менее сформированную гипотезу эта модель превратилась лишь 80-х – начале 90-х годов.

Среди менее значимых спорных моментов, у модели «Большого отскока» есть и явные недостатки. Например, идея коллапса в сингулярность противоречит общей теории относительности Эйнштейна – правилам, согласно которым работает гравитация. Физики считают, что эффект сингулярности может существовать внутри черных дыр, однако известные нам физические законы не могут предоставить нам механизм, позволяющий объяснить, почему «другая Вселенная», достигнув сингулярности, должна породить Большой взрыв.

Однако это не единственный большой спорный момент. Дело в том, что модель «Большого отскока» подразумевает наличие прямолинейного хода времени со снижающейся энтропией, однако, как говорилось выше, энтропия со временем только увеличивается. Другими словами, согласно известным нам законам физики, появление отскакивающей Вселенной невозможно.

Дальнейшее развитие модели привело к появлению гипотезы о том, что время во Вселенной может являться циклическим. Но при этом модель до сих пор не в состоянии объяснить, каким образом идущее в настоящее время расширение Вселенной сменится её сжатием. И все же это необязательно означает, что модель «Большого отскока» совершенно ошибочна. Вполне возможно, что наши нынешние теории о ней просто несовершенны и не до конца продуманы. В конце концов, физические законы, которые мы сейчас имеем, были выведены с учетом лимита, согласно которому мы способны наблюдать за Вселенной.

Образование первых структур[]

За счет гравитационного притяжения вещество во Вселенной начинает распределяться по обособленным скоплениям («кластерам»). По всей видимости, первыми плотными объектами в темной Вселенной были квазары. Затем, начали образовываться ранние формы галактик и газопылевых туманностей. Начинают образовываться первые звезды, в которых происходит синтез элементов тяжелее гелия. В астрофизике любые элементы тяжелее гелия называют «металлами».
11 июля 2007 года Ричард Эллис (Калифорнийский технологический институт) на 10-метровом телескопе Keck II обнаружил 6 звездных скоплений, которые образовались 13,2 миллиардов лет тому назад. Таким образом, они возникли когда вселенной было только 500 миллионов лет.

Образование солнечной системы

Через 8-9 миллиардов лет после Большого Взрыва начали образовываться структуры, соизмеримые по масштабу с нашей Солнечной системой. Солнце — звезда, возникшая относительно поздно. Предполагается, что часть массы Солнца включает в себя остатки более ранних звезд.

Космология полна загадок

Космология изучает происхождение и эволюцию Вселенной. От Большого взрыва до настоящего времени. А также пытается заглянуть в далекое будущее. Космологи изучают свойства Вселенной в самых широких масштабах. И это далеко не простая задача. Попытки найти ответы на вопросы о судьбе Вселенной, или ее происхождения, отнюдь не являются второстепенными проблемами.

Космологи изучают самые разнообразные и сложные понятия. От теории струн до темной энергии и темной материи. И даже гипотезы о том, что мы, на самом деле, живем в Мультивселенной. Или, если быть точнее, в одной из вселенных, из которых она состоит. В отличие от других разделов астрономии, в космологии объектом исследования является не какая-то конкретная часть Вселенной. И не звезды или галактики. Сама Вселенная изучается этой наукой как единое целое.

Ученые, которые посвятили всю свою жизнь космологии, постоянно сталкиваются со всевозможными серьезными вопросами. Какое будущее ждет нашу Вселенную? Что было до Большого взрыва? Какова форма Вселенной? Размышления на эти темы могут запросто вызвать небольшие завихрения в мозгу.

Понятие космологии с точки зрения науки

Космология — это наука, которая объединяет астрофизику и астрономию. Данные для нее получают путем наблюдения за астрономическими изменениями во Вселенной. Для этого применяются законы относительности, которые были приняты ещё самим Альбертом Эйнштейном. Уже в 20-х годах XX века эта наука была отнесена к классу точных, до этого она считалась частью философских учений. Современная космология на сегодняшний день становится очень популярной. Она объединяет в себе новые открытия в сфере физики, астрономии, астрологии и философии. Последним достижением является так называемая теория Большого взрыва, согласно которой наша Вселенная меняется в своих размерах из-за высокой плотности и температуры.

История становления космологии

О происхождении и эволюции Вселенной люди начали задумываться ещё в глубокой древности. Первоначально люди объясняли процесс сотворения наблюдаемого мира действием сверхъестественных сил — богов. Эпоха Возрождения и буржуазные революции привели к значительному уменьшению влияния религии на мировоззренческие взгляды людей. Последние пять веков ученые стараются объяснить процесс эволюции Вселенной с помощью естественных законов физики, химии и т. д.

Одна из первых версий строения мира — плоская земля, которая покоится на трех китах и черепахе

Изначально в древние времена люди знали очень ограниченный список астрономических объектов: Земля, Луна, 5 планет Солнечной Системы и т.н. “неподвижные” звезды. Наблюдаемое движение Солнца, Луны и планет по земному небу привело к ошибочному мнению, что Земля является центром Солнечной Системы и всей Вселенной. Подобная мировоззренческая система получила название геоцентрическая система мира. Лишь более тщательные наблюдения за движением небесных тел в дальнейшем позволили выяснить, что центром Солнечной Системы является Солнце, а вокруг Земли вращается только Луна. Подобная система называется гелиоцентрической. Насчет же звезд первоначально существовало несколько мнений: от отверстий в небесной сфере до очень далеких солнц (последний вариант в гелиоцентрической системе объяснялся отсутствием параллактического смещения по причине орбитального движения Земли вокруг Солнца).

Принятая в настоящее время периодизация

На данный момент самой ранней эпохой считается планковское время. Потому как наиболее ранние теоретические идеи возникли именно в этот период. Согласно имеющимся данным, в этом периоде гравитационное взаимодействие стало самостоятельным. К тому же, оно отделилось от остальных фундаментальных сил.

Следующий период обозначается в науке, как появление первых частиц кварков и разделение сил взаимодействия. Так как эпоха обусловлена более поздним промежутком времени, то ученые смогли получить достаточно подробное описание всех происходящих тогда процессов.

Последний же отрезок характеризуется созданием небесных тел (звезд), галактики и Солнечной системы в целом. Более того, это время и по сей день считается незавершённым.

Стоит отметить, что одной из одной из важнейших эр для эволюции Вселенной является эра рекомбинации. Именно в это время Вселенная стала прозрачной для излучения. А значит его можно увидеть, например, в виде реликтового фона. Подобный эксперимент стал наглядным подтверждением наличия моделей Вселенной.

Реликтовое излучение

Литература[]

1. Д. И. Нагирнер — Элементы космологии. — СПб.: изд.-во СПбГУ, 2001. В электронном виде доступна: http://www.astro.spbu.ru/JSEC/cosmint.ps
2. Timeline of cosmology: http://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_cosmology
3. Timeline of the Big Bang http://en.wikipedia.org/wiki/Timeline_of_the_Big_Bang
4. Фред Хойл http://en.wikipedia.org/wiki/Fred_Hoyle
5. C. Bonneau, S. Brunier. Une sonde defie l’espace et le temps. Science&Vie, № 1072, Janvier 2007, p. 43
6. Лорен Грэхэм Глава XII Космология и космогония из книги Естествознание, философия и науки о человеческом поведении в Советском Союзе

Направления космологии

В настоящее время сложилось два направления в космологии:

1. Представители эмпирического направления ограничивают свои исследования полученными при помощи наблюдения данными. Они не распространяют разработанные ими модели на неизвестные пока области.
2. Представители теоретического направления пытаются объяснить исследуемую Вселенную на основе наиболее логичных и простых теорий. Наибольшей популярностью в настоящее время используется теория Большого взрыва.

Определение 2

Большой взрыв – теория с помощью, которой объясняется появление и развитие Вселенной. Согласно данной теории Вселенная, родившаяся в далёком прошлом в результате взрыва первоматерии, с тех пор неуклонно расширяется.

В разное время эта теория развивалась и дополнялась различными специалистами.

На основе теории относительности А. Эйнштейна развивали теорию Большого взрыва такие специалисты как В. де Ситтер, бельгийский аббат и ученый Леметр, советские ученые А. А. Фридман и Г. А. Гамов и многие другие.

В результате возникла, в частности, космологическая модель Фридмана – Леметра. Согласно ей наша Вселенная возникла в момент Большого взрыва, который произошёл около 20 миллиардов лет назад. При этом расширение Вселенной продолжается и по сей день, в тоже время постоянно замедляясь. В первое мгновение после взрыва материя Вселенной имела бесконечную плотность и температуру. Такое состояние специалисты называют сингулярностью.

Стационарная же модель Вселенной считает нашу Вселенную постоянной и неизменной как в прошлом, так и в будущем. Согласно данной модели возраст Вселенной бесконечен, а в ходе ее расширения рождается новое вещество.

Понятие Вселенной в космологии

Исходя из утверждений ученых, Вселенная состоит из определенных структур: галактик, звёзд и планет. Каждая из них прошла определенную эволюцию:

• прототипом галактик в древние времена были протогалактики;
• для звезд это протозвёзды;
• для планет — протопланетные облачные образования.

Сама по себе галактика с точки зрения астрономии — это совокупность звёзд, туманных образований, которые со временем объединяются в достаточно плотную структуру. Они бывают различных форм и размеров. Самой известной из них считается Млечный путь, который может видеть каждый из обитателей Земли. Также в состав галактик входит газ и космическая пыль. Звёзды совершенно разные по возрасту: одни из них могут быть возрастом, как сама Вселенная, другие могут только родиться. Их зарождение происходит при воздействии гравитации, магнитной и других сил.

Таким образом, можно сделать вывод, что космология Вселенной на сегодняшний день обладает очень многими знаниями, однако в тоже время таит в себе много загадок. разгадать которые под стать только самым гениальным учёным.

Что существовало до Большого Взрыва?

Теория космологии утверждает, что пространство началось с Большого Взрыва. Есть мнение, что существуют и другие вселенные, однако нет практического способа их «увидеть», поэтому пока можно лишь сказать, что до Большого Взрыва не было ничего.

Если другие галактики отходят от нас, то не стоим ли мы в центре Вселенной?

Нет. Если вы окажитесь в другой галактике, то заметите, что остальные отдаляются уже от этой. Наша Вселенная как воздушный шар. Надуйте и взорвите его. Ни одна из точек не будет располагаться в центре, они все просто расширяются.

Некоторые полагают, что концентрические кольца реликтового излучения намекают на наличие вселенной до Большого Взрыва

У Вселенной есть конец?

Все зависит от ее плотности. Ученым удалось вычислить критическое число. Если истинная плотность превышает его, то расширение приостановится и пространство начнет сжиматься, пока не вернется в изначальную точку. Если же показатель меньше, то мы получим вечное расширение.

Что было первым: галактика или звезды?

Классическая космология гласит, что после Большого Взрыва пространство представляло собою скопление водорода и немного гелия. Гравитация заставила водород сжиматься и создавать структуры. Но ученые точно не знают механизма формирования. Возможно, сначала создались звезды, которые объединились в галактики, или же это были массивные галактические глыбы, внутри которых начали появляться звезды. Основы современной космологии и развитие ее теорий и принципов раскрываются в видео, смотреть которые можно бесплатно онлайн на нашем сайте.

По современным научным представлениям, наблюдаемая нами сейчас Вселенная возникла ~13,8 млрд лет назад из некоторого начального сингулярного состояния и с тех пор непрерывно расширяется и охлаждается.

Примечания[]

1. , p. 103
2. О влиянии герметической литературы на Брадвардина см. работу .
3. , с. 2—17 и особенно с. 14
4. , p. 105—106
5. , с. 31—45
6. WMAP Cosmological Parameters (англ.). NASA. Goddard Space Flight Center. Проверено 22 марта 2013. Архивировано из первоисточника 22 марта 2013.
7. N° 7-2013: PLANCK REVEALS AN ALMOST PERFECT UNIVERSE (англ.).
8. Planck Collaboration Planck 2013 results. XVI. Cosmological parameters // ArXiv/astro-ph. — 2013.

9. P. A. R. Ade et al. (Planck Collaboration) (22 March 2013). «Planck 2013 results. I. Overview of products and scientific results». Astronomy and Astrophysics 1303: 5062. doi:10.1051/0004-6361/201321529. Bibcode: 2013arXiv1303.5062P.

10. Краткая история Вселенной. Архивировано из первоисточника 30 сентября 2008.
11. D.N. Spergel, R. Bean, O. Dore et al. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) Three Year Results: Implications for Cosmology. Astrophysics, abstract astro-ph/0603449.

Основные тезисы космологии

Основное положение космологии — это утверждение, что наша Вселенная представляет собой расширяющийся мир диаметром в несколько десятков миллиардов световых лет, состоящий из нескольких триллионов галактик разного размера. Скорость расширения Вселенной можно описать с помощью закона Хаббла:

υ=Hr, где Н – постоянная Хаббла, υ — скорость галактики, а r – это расстояние до галактики.

Интерполяция расширения Вселенной приводит к пониманию того, что около 13.7 миллиардов лет назад Вселенная являлась точечным объектом — сгустком первичной материи и энергии. Рождение Вселенной объясняется концепцией Большого взрыва. На основе теоретических расчетов до появления первых звезд во Вселенной химический состав Вселенной на ¾ представлял собой водород, а на ¼ гелий.

Что называют реликтовым излучением

В космологии под реликтовым излучением понимают – космическое микроволновое фоновое излучение. Данное понятие ввел русский астрофизик И.С. Шкловский. Простым языком, реликтовое излучение – это слабое свечение, которое заполняет все пространство Вселенной, попадая при этом на Земной шар и другие объекты космоса. Это то, что осталось от процесса «строительства Вселенной», с того момента, как она начала только зарождаться. Излучение течет в пространстве, в течение последних 13,5 млрд. лет, напоминая чем-то тепло от камина, огонь в котором уже давно погас.

По сути, реликтовое излучение – это электромагнитные волны, которые растеклись по космическому пространству. Ученые предполагают, что оно образовалось примерно 380 тыс. лет после Большого Взрыва. Есть мнение, что реликтовое излучение способно объяснить образование первых звезд и галактик.

Увидеть излучение невооруженным глазом человек не может. Для его изучения используют специальные радиотелескопы. На сегодняшний день известно, что температура реликтового излучения на 2,725 градусов выше абсолютного нуля, следовательно, оно очень холодное. Несмотря на то, что плотность энергии реликтового излучения всего 0,25 эВ/см3, оно заполняет все космическое пространство. Его главное свойство однородность, что позволяет ученым интерпретировать его как остаточное явление после Большого Взрыва. Если бы человеческие органы могли воспринимать микроволны, то небо для нас сияло равномерным приятным светом.

В современной космологии открытие реликтового излучения имеет важное значение. Благодаря свету, распространение которого происходит с конечной скоростью, исследователи могут наблюдать за самыми далекими космическими телами и структурами, то есть заглядывать в прошлое Вселенной

Многие звезды, которые видны человеку невооруженным глазом, находятся на расстоянии 10-100  световых лет. Именно столько времени необходимо свету, чтобы добраться до Земного шара. То есть, наблюдая за звездным небом, человек видит его таким, каким оно было как раз 10-100 световых лет назад. Астрономы активно изучают ближайшую к нам галактику – Андромеду, но при этом в настоящем времени они видят ее такой, какой она была 2,5 млрд. лет назад. Благодаря физическим свойствам реликтового излучения человечество способно шагнуть в далекое прошлое и «увидеть», какой именно была Вселенная после Большого Взрыва.