Тема 23. Космологические концепции

Космология – раздел естествознания; наука о Вселенной в целом, ее свойствах, структуре, происхождении и эволюции. Современная К. строит модели Вселенной на основе астрономических наблюдений Галактики и других звездных систем, общей теории относительности А.Эйнштейна, физики микропроцессов и высоких плотностей энергии, релятивистской термодинамики и др. теорий.

Спектральный анализ – один из основных методов исследования Вселенной, дающий ценные и наиболее разнообразные сведения о небесных светилах; он позволяет установить из анализа света качественный и количественный химический состав светила, его температуру, наличие и напряженность магнитного поля, скорость движения по лучу зрения и т.д.

Метагалактика – видимая часть Вселенной; доступная современным астрономическим методам исследований, со всеми находящимися в ней галактиками, квазарами и другими объектами; содержит несколько миллиардов галактик. При наблюдении с Земли Метагалактика представляется однородной (одинакова во всех точках) и изотропной (одинакова по всем направлениям) по всей сфере до бесконечности.

Вселенная – весь существующий материальный мир, безграничный во времени и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. В. – самая большая известная структура, включающая в себя все сущее. В современной космологии наиболее общепринятой моделью Вселенной считается модель горячей расширяющейся Вселенной, согласно которой В. однородна, изотропна и нестационарна, т.е. расширяется как мыльный пузырь, галактики разбегаются друг от друга с ускорением. Согласно современным теориям время существования В. оценивается примерно 13-15 млрд. лет; рождение В. произошло из пространственно-временной сверхгорячей и сверхплотной пены – квантовых флуктуаций поля гравитации; основные стадии эволюции Вселенной: 1) "инфляционная" (инфляционое расширение в "псевдовакууме", в результате чего происходит рождение вещества – частиц и античастиц); 2) "горячая": формирование звезд первого поколения, в которых происходит термоядерный синтез водорода в гелий, а затем образование всех других химических элементов тяжелее гелия.

Состав Вселенной. На основе спектрального анализа, было обнаружено, что химический состав Вселенной определен более чем на 99 % водородом (3/4 по массе) и гелием (1/4); все другие элементы представлены в незначительных количествах (1%). Современная оценка средней плотности материи во Вселенной равна критическому значению. Вклад основных видов материи в её среднюю плотность во Вселенной: обычное вещество (в основном, звёзды в галактиках) – менее 5%; "тёмное вещество" (взаимодействует с обычным веществом только гравитационно, распределено в пространстве неоднородно); "тёмная энергия" (строго однородна, создаёт всемирное отталкивание) – более 70%.

Космологические модели Вселенной – результаты познания, получаемые в космологии, оформленные в виде моделей происхождения и развития Вселенной (в виде теоретических гипотез или математических моделей). Можно выделить две группы моделей Вселенной: 1) классические модели стационарной Вселенной; 2) неклассические, современные модели нестационарной Вселенной.

Модели стационарной Вселенной – модели классической космологии, в которых Вселенная рассматривается как качественно неизменная во времени, статичная, устойчивая, гармоничная. Эти модели расходятся по другим вопросам, но объединены общей мировоззренческой установкой на статичность мира. К ним относятся: космология Аристотеля (Вселенная шарообразна и неоднородна); геоцентрическая модель мира Птолемея; гелиоцентрическая система Н.Коперника; космология Ньютона (Вселенная безгранична, бесконечна, однородна и неизменна); модель Вселенной А.Эйнштейна (она однородна, изотропна и равномерно заполнена материей, преимущественно в форме вещества).

Модели нестационарной Вселенной – модели неклассической, современной космологии, в которых Вселенная представляется как качественно изменчивая, неустойчивая, противоречивая. Данные модели пояились в ХХ в. в связи с наблюдаемыми подтверждениями нестационарности Вселенной: красного смещения в спектрах (раширение Вселенной, разбегание галактик, закон Хаббла). Наиболее известными являются: космологическая модель Фридмана; теория горячей Вселенной и Большого Взрыва.

Расширение Вселенной – явление увеличения расстояний между галактиками со скоростью, пропорциональной расстоянию между ними.

Закон Хаббла – закон всеобщего разбегания галактик (расширяющейся Вселенной), открытый в 1929 г. астрономом Э.Хабблом на основе наблюдаемого эффекта красного смещения в спектрах галактик, возникающее благодаря эффекту Доплера, что свидетельствовало об удалении галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием, т.е. скорость разбегания галактик пропорциональна расстоянию до них (чем дальше от нас, тем быстрее удаляется).

Красное смещение (космологическое) – смещение линий спектра электромагнитного излучения в сторону больших длин волн по сравнению с линиями эталонных спектров, обусловленное эффектом Доплера при удалении источника излучения (галактик) от приемника (наблюдателя на Земле).

Эффект Доплера – изменение частоты колебаний или длины волны, воспринимаемой наблюдателем (приемником колебаний), вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга; при сближении обнаруживается повышение частоты, при удалении – понижение.

Космологическая модель Фридмана – модель нестационарной, расширяющейся Вселенной, предложенная в 1922 г. А.Фридманом, на основе математических расчетов по уравнениям общей теории относительности Эйнштейна, согласно которым Вселенная не может находится в неизменном состоянии, а может либо расширяться, либо сжиматься. Фридман предложил три модели дальнейшей эволюции Вселенной (в зависимости от средней плотности материи во Вселенной): 1) модель "закрытой Вселенной": она медленно расшираяется, а затем начинает сжиматься (если будет преобладать гравитационное взаимодействие); 2) модель "открытой Вселенной": она расширяется бесконечно и необратимо (если будет преобладать кинетическая энергия разлетающегося вещества);3) модель "квазистационарной" или "пульсирующей" Вселенной: она расширения, но скорость расширения стремиться к нулю (если силы гравитации точно равны энергии разлета вещества). Сменится ли расширение Вселенной ее сжатием, по модели А.Фридмана, зависит только от средней плотности материи во Вселенной: так, если плотность материи Вселенной велика, то ее расширение постепенно замедлится, остановится и сменится сжатием, все вещество Вселенной сколлапсирует ("Большая свалка"), после чего может случиться новый Большой взрыв и начнется расширение новой вселенной. До сих пор оценки плотности Вселенной не дали окончательного ответа на вопрос о ее будущем.

Модель Большого взрыва – модель нестационарной, раширяющейся, горячей Вселенной, предложенная Г.Гамовым (1948), согласно которой Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, происшедшего примерно 15 млрд. лет тому назад. В начальный момент все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в крайне небольшом объеме с бесконечно высокой плотностью (состояние сингулярности – одном крохотном сверхплотном сгустке). На раннем этапе эволюции Вселенная была сверхплотной горячей и бесконечно малых размеров. Энергия большого взрыва раширяет Вселенную; по мере расширения температура Вселенной уменьшается. МБВ подтверждается следующими наблюдениями: 1) открытием Э. Хабблом коэффициента пропорциональности между скоростью разбегания галактик и расстоянием до них; 2) открытием реликтового излучения (которое было предсказано МБВ). Основные черты МБВ сохранились до сих пор, но были позже дополнены теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной.

Космологическая сингулярность – точечный объем с бесконечной плотностью; начальное состояние Вселенной в прошлом, которое характеризуется бесконечно малыми размерами и бесконечно высокой плотностью.

Реликтовое излучение – микроволновое фоновое излучение с температурой около 2,7 K, заполняющее Вселенную. Существование РИ было предсказано теоретически в рамках теории Большого взрыва и экспериментально подтверждено в 1965 г. (Р.Пензиас, А.Вильсон). РИ несет информацию об эволюции Вселенной и о процессах, которые там происходят.

Теория раздувающейся Вселенной (теория инфляции) – современная, видоизмененная модель-гипотеза Большого взрыва (А.Гут, П.Стейнхардт, А.Линде; 1980-1983), которая объясняет происхождение колоссального количества энергии, требующеегося для рождения частиц. Согласно этой теории в первые мгновения Вселенной (с 10^-35 до 10^-32с) она переходит в состояние "псевдовакуума" – пространственно-временной сверхгорячей и сверхплотной "пены" (квантовых флуктуаций поля гравитации) в области размером порядка 10^-35м. "Ложный вакуум" способен создавать мощное гравитационное отталкивание, которое "раздувает" Вселенную мгновенно до чудовищных размеров. По мере расширения Вселенной быстро уменьшались плотность и температура обычного вещества; наступили переохлаждение и фазовый переход среды из состояния "ложного вакуума" в состояние истинного вакуума; этот переход сопровождается выделением очень большой энергии, прежде всего скованной в "ложном вакууме". Освободившаяся энергия расходовалась на рождение (из физического вакуума) множества реальных частиц и античастиц. Скорости движения и энергии новорождённых частиц были очень велики, а потому Вселенная вновь разогрелась, а "инфляционная" стадия эволюции Метагалактики сменилась уже известной нам стадией "горячей Вселенной".

Антропный принцип (греч. anthropos – человек) – принцип современной космологии, устанавливающий связь между свойствами Вселенной и существованием человека: Вселенная была устроена так "удачно", чтобы в ней мог возникнуть человек; это свидетельствует, что человек – это цель эволюции Вселенной, он был "запрограммирован" в ее развитии.