Мегамир: современные астрофизические и космологические концепции


Космология
Изучаемые объекты и процессы
  • Вселенная
  • Наблюдаемая Вселенная
  • Крупномасштабная структура Вселенной Сверхскопления галактик
  • Галактические нити
  • Войды
  • Пузырь Хаббла
  • Реликтовое излучение
  • Скрытая масса
    • Тёмная материя
    • Тёмная энергия
    • Тёмная жидкость
История Вселенной
  • Основные этапы развития Вселенной
  • Возраст Вселенной
  • Формирование галактик
Наблюдаемые процессы
  • Расширение Вселенной Космологическое красное смещение
  • Закон Хаббла
  • Ускоренное расширение Вселенной
  • Нуклеосинтез
Теоретические изыскания
  • Гравитационная неустойчивость
  • Космологические модели Космологическая сингулярность
  • Большой взрыв
  • Модель де Ситтера
  • Модель горячей Вселенной
  • Космическая инфляция
  • Уравнение Фридмана Вселенная Фридмана
  • Сопутствующее расстояние
  • Модель Лямбда-CDM
  • Космологическое уравнение состояния
  • Критическая плотность
  • Космологический принцип

У этого термина существуют и другие значения, см. Космология (значения).
Космоло́гия

(
космос
+
логос
) — раздел астрономии, изучающий свойства и эволюцию Вселенной в целом. Основу этой дисциплины составляют математика, физика и астрономия.

История космологии

Ранние формы космологии представляли собой религиозные мифы о сотворении (космогония) и уничтожении (эсхатология) существующего мира.

Китай

Археологические находки позволяют утверждать, что прообразом космоса мог считаться панцирь сухопутной черепахи, щитки которого делят плоскость земли на квадраты.

В наиболее ранней из текстологически представленных моделей китайской космологии считалось, что Земля прикрыта небом подобно пологу на колеснице, и этот полог вращается в горизонтальной плоскости, как зонт (т. н. модель гайтянь

蓋天, называемая тж.
Чжоуби
— по названию математического трактата, описывающего вычисления согласно этой модели). К сер. династии Хань эта модель оспаривалась астрономическими наблюдениями. Ей на смену пришло представление о сферичности космоса, окружавшего Землю (модель
хуньтянь
浑天). Ок. 180 г. н. э. Цай Юн упоминает также третью модель,
сюанье
宣夜 — однако о ней уже к его времени не сохранилось сведений.

Европейская античность

См. также: Астрономия Древней Греции

Большинство древнегреческих учёных поддерживали геоцентрическую систему мира, согласно которой в центре Вселенной находится неподвижная шарообразная Земля, вокруг которой обращаются пять планет, Солнце и Луна. Предложенная Аристархом Самосским гелиоцентрическая система мира, по-видимому, не получила поддержки большинства древнегреческих астрономов.

Мир считался ограниченным сферой неподвижных звёзд[1]. Иногда добавлялась ещё одна сфера, отвечающая за прецессию. Предметом споров был вопрос о том, что находится за пределами мира: перипатетики вслед за Аристотелем полагали, что вне мира нет ничего (ни материи, ни пространства), стоики считали, что там находится бесконечное пустое пространство, атомисты (Левкипп, Демокрит, Метродор, Эпикур, Лукреций) полагали, что за пределами нашего мира находятся другие миры. Особняком стоят взгляды Гераклида Понтийского, согласно которому звёзды являются далёкими мирами, включающими в себя землю и воздух; он, как и атомисты, полагал Вселенную бесконечной. На закате античности появилось религиозно-мистическое учение герметизм, согласно которому вне мира может находиться область нематериальных существ — духов[2].

Многие досократики полагали, что движением светил управляет гигантский вихрь, давший начало Вселенной. Однако после Аристотеля большинство античных астрономов считали, что планеты переносятся в своём движении материальными сферами, состоящими из особого небесного элемента — эфира, свойства которого не имеют ничего общего с элементами земли, воды, воздуха и огня, составляющих «подлунный мир». Широко было распространено мнение о божественной природе небесных сфер или светил, их одушевлённости.

Средневековье

См. также: Астрономия исламского Средневековья и Космология в иудаизме

В Средние века в астрономии и философии как христианских, так и мусульманских стран доминировала космология Аристотеля, дополненная птолемеевой теорией движения планет, вместе с представлением о материальных небесных сферах. Некоторые философы XIII—XIV вв. считали, что бесконечно всемогущий Бог мог создать, помимо нашего, и другие миры[3][4]; тем не менее, эта возможность считалась сугубо гипотетической: хотя Бог и мог создать другие миры, он не сделал этого. Некоторые философы (например, Томас Брадвардин и Николай Орем) считали, что за пределами нашего мира находится бесконечное пространство, служащее обителью Бога (модификация космологии герметистов, также полагавших внемировое пространство относящимся к духовной сфере[5]).

Эпоха Возрождения

См. также: Гелиоцентрическая система мира и Космология Джордано Бруно

Новаторский характер носит космология Николая Кузанского, изложенная в трактате Об учёном незнании

. Он предполагал материальное единство Вселенной и считал Землю одной из планет, также совершающей движение; небесные тела населены, как и наша Земля, причём каждый наблюдатель во Вселенной с равным основанием может считать себя неподвижным. По его мнению, Вселенная безгранична, но конечна, поскольку бесконечность может быть свойственна одному только Богу. Вместе с тем, у Кузанца сохраняются многие элементы средневековой космологии, в том числе вера в существование небесных сфер, включая внешнюю из них — сферу неподвижных звёзд. Однако эти «сферы» не являются абсолютно круглыми, их вращение не является равномерным, оси вращения не занимают фиксированного положения в пространстве. Вследствие этого у мира нет абсолютного центра и чёткой границы (вероятно, именно в этом смысле нужно понимать тезис Кузанца о безграничности Вселенной)[6].

Первая половина XVI века отмечена появлением новой, гелиоцентрической системы мира Николая Коперника. В центр мира Коперник поместил Солнце, вокруг которого вращались планеты (в числе которых и Земля, совершавшая к тому же ещё и вращение вокруг оси). Вселенную Коперник по-прежнему считал ограниченной сферой неподвижных звёзд; по-видимому, сохранялась у него и вера в существование небесных сфер[7].

Модификацией системы Коперника была система Томаса Диггеса, в которой звёзды располагаются не на одной сфере, а на различных расстояниях от Земли до бесконечности. Некоторые философы (Франческо Патрици, Ян Ессенский) заимствовали только один элемент учения Коперника — вращение Земли вокруг оси, также считая звёзды разбросанными во Вселенной до бесконечности. Воззрения этих мыслителей несут на себе следы влияния герметизма, поскольку область Вселенной за пределами Солнечной системы считалась ими нематериальным миром, местом обитания Бога и ангелов[8][9][10].

Решительный шаг от гелиоцентризма к бесконечной Вселенной, равномерно заполненной звёздами, сделал итальянский философ Джордано Бруно. Согласно Бруно, при наблюдении из всех точек Вселенная должна выглядеть примерно одинаково. Из всех мыслителей Нового времени он первым предположил, что звёзды — это далёкие солнца и что физические законы во всем бесконечном и безграничном пространстве одинаковы[11]. В конце XVI века бесконечность Вселенной отстаивал и Уильям Гильберт. В середине — второй половине XVII века эти взгляды поддержали Рене Декарт, Отто фон Герике и Христиан Гюйгенс.

Возникновение современной космологии

В 1922 году А. А. Фридман предложил нестационарное решение уравнения Эйнштейна, в котором изотропная Вселенная расширялась из начальной сингулярности. Подтверждением теории нестационарной вселенной стало открытие в 1929 году Э. Хабблом космологического красного смещения галактик. Таким образом, возникла общепринятая сейчас теория Большого взрыва.

Возраст Вселенной

Основная статья: Возраст Вселенной

Возраст Вселенной — время, прошедшее с момента Большого взрыва. Согласно современным научным данным (результаты WMAP9), оно составляет 13,830 ± 0,075 млрд лет[12]. Новые данные, полученные с помощью мощного телескопа-спутника «Планк», принадлежащего Европейскому космическому агентству, показывают, что возраст Вселенной составляет 13,798 ± 0,037 миллиарда лет (68%-й доверительный интервал)[13][14][15].

Современная оценка возраста Вселенной построена на основе одной из распространённых моделей Вселенной, так называемой стандартной космологической ΛCDM-модели.

Основные этапы развития Вселенной

Большое значение для определения возраста Вселенной имеет периодизация основных протекавших во Вселенной процессов. В настоящее время принята следующая периодизация[16]:

  • Самая ранняя эпоха, о которой существуют какие-либо теоретические предположения, — это планковское время (10−43
    после Большого взрыва). В это время гравитационное взаимодействие отделилось от остальных фундаментальных взаимодействий. По современным представлениям, эта эпоха квантовой космологии продолжалась до времени порядка
    10−11 с
    после Большого взрыва.
  • Следующая эпоха характеризуется рождением первоначальных частиц кварков и разделением видов взаимодействий. Эта эпоха продолжалась до времён порядка 10−2 с
    после Большого взрыва. В настоящее время уже существуют возможности достаточно подробного физического описания процессов этого периода.
  • Современная эпоха стандартной космологии началась через 0,01 секунды после Большого взрыва и продолжается до сих пор. В этот период образовались ядра первичных элементов, возникли звёзды, галактики, Солнечная система.

Важной вехой в истории развития Вселенной в эту эпоху считается эра рекомбинации, когда материя расширяющейся Вселенной стала прозрачной для излучения. По современным представлениям, это произошло через 380 тыс. лет после Большого взрыва. В настоящее время это излучение мы можем наблюдать в виде реликтового фона, что является важнейшим экспериментальным подтверждением существующих моделей Вселенной.

WMAP

Основная статья: WMAP

WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) — космический аппарат НАСА, предназначенный для изучения реликтового излучения, образовавшегося в результате Большого взрыва в момент зарождения Вселенной.

Собранная WMAP информация позволила учёным построить самую детальную на сегодняшний день карту флуктуаций температуры распределения микроволнового излучения на небесной сфере. Ранее подобную карту удалось построить по данным аппарата НАСА COBE, однако её разрешение существенно — в 35 раз — уступало данным, полученным WMAP.

Данные WMAP показали, что распределение температуры реликтового излучения по небесной сфере соответствует полностью случайным флуктуациям с нормальным распределением. Параметры функции, описывающей измеренное распределение, согласуются с моделью Вселенной, состоящей:

  • на 4 % из обычного вещества,
  • на 23 % из так называемой тёмной материи (возможно, из гипотетических тяжёлых суперсимметричных частиц) и
  • на 73 % из ещё более таинственной тёмной энергии, вызывающей ускоренное расширение Вселенной.

Данные WMAP позволяют утверждать, что тёмная материя является холодной (то есть состоит из тяжёлых частиц, а не из нейтрино или каких-либо других лёгких частиц). В противном случае лёгкие частицы, движущиеся с релятивистскими скоростями, размывали бы малые флуктуации плотности в ранней Вселенной.

Среди других параметров, из данных WMAP определены (исходя из ΛCDM

-модели, то есть фридмановской космологической модели с Λ-членом и холодной тёмной материей англ. Cold Dark Matter)[17]:

  • возраст Вселенной: (13.73 ± 0.12)·109 лет;
  • постоянная Хаббла: 71 ± 4 км/с/Мпк;
  • плотность барионов в настоящее время: (2,5 ± 0,1)·10−7 см−3;
  • параметр плоскостности Вселенной (отношение общей плотности к критической): 1,02 ± 0,02;
  • суммарная масса всех трёх типов нейтрино: <0,7 эВ.

По данным обзора Planck TT, TE, EE+lensing+BAO+JLA+H0

  • 100θMC
    = 1.04077 ± 0.00032
  • Ωbh2= 0.02225 ± 0.00016
  • Ωch2= 0.1198 ± 0.0015
  • τ=0.079 ± 0.017
  • ln(1010As)=3.094 ± 0.034
  • ns= 0.9645 ± 0.0049
  • H0 = 67.27 ± 0.66
  • Ωm=0.3089 ± 0.0062
  • ΩΛ= 0.6911 ± 0.0062
  • Σmv [eV]< 0.17
  • Ωk=0.0008−0.0039+0.0040
  • w=
    −1.019−0.08+0.075

Развитие классической модели Вселенной

Происхождение Вселенной – это вопрос, которым задавалось человечество с незапамятных времен. Устройство Вселенной интересовало уже древних ученых, их взгляды и идеи были основополагающими компонентами философских систем. Такие космологические идеи, возникшие в древности и сохранившиеся до наших дней в форме легенд и мифов, были основаны на астрономических наблюдениях. Жрецы древних цивилизаций в процессе астрономических наблюдений сумели точно определить продолжительность года, цикл повторения затмений, а также выявить две группы небесных тел – подвижные и неподвижные.
Неподвижными, по мнению древних астрономов, являлись звезды, а подвижными – Солнце, Луна и пять планет, известных на то время:

  • Меркурий,
  • Венера,
  • Марс,
  • Юпитер,
  • Сатурн.

Замечание 1
В честь подвижных небесных тел неделя была разделена на семь дней, каждый из дней связан с одним подвижным небесным телом. В процессе наблюдения видимого движения Солнца по небесной сфере были открыты двенадцать так называемых зодиакальных созвездий.

Готовые работы на аналогичную тему

  • Курсовая работа Космологические модели Вселенной 450 руб.
  • Реферат Космологические модели Вселенной 270 руб.
  • Контрольная работа Космологические модели Вселенной 190 руб.

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость

С появлением философии и науки, сменивших мифологию, ответы на подобные вечные вопросы стали искать в рамках философских концепций. Таким образом, в период античности появились космологические модели Вселенной, предложенные Платоном, Демокритом, Пифагором, и первые гелиоцентрические модели Вселенной.

Идея о том, что Земля вращается вокруг Солнца, была выдвинута Аристархом Самосским, однако гелиоцентрические идеи не были признаны. Признанным итогом космологии в период античности, просуществовавшей и в весь период Средневековья, стала геоцентрическая модель Вселенной, предложенная Аристотелем и доработана Птолемеем. Геоцентрическая концепция была весьма сложной ввиду необходимости введения деферентов и эпициклов, что требовалось для компенсации видимого движения планет.

В период Нового времени первенство в создании идей космологии перешло науке, философия отошла на второй план. Особенно большие успехи были достигнуты в ХХ в., когда был совершен переход от догадок к подтвержденным фактам, обоснованным теориям, гипотезам.

Лень читать?

Задай вопрос специалистам и получи ответ уже через 15 минут!

Задать вопрос

В 16 в. Николай Коперник предложил гелиоцентрическую модель Вселенной, согласно которой центром Вселенной является Солнце, а планеты вращаются вокруг него.

17-19 вв. для космологии и космогонии ознаменовались созданием полицентрической картины мира, которая явилась началом развития научной космологии. Принципы полицентрической модели Вселенной выглядят следующим образом:

  • Вселенная вечна, она бесконечна в пространстве и времени
  • движением и развитием небесных тел управляет закон всемирного тяготения
  • пространство не связано с объектами, находящимися в нем
  • время независимо от материи, время – универсальная длительность всех природных явлений и объектов
  • исчезновение всех тел не приведет к изменениям в пространстве и времени, то есть пространство и время постоянны.
  • во Вселенной бесконечное множество звезд, планет и звездных систем. Все небесные тела проходят жизненный путь, погасшие звезды сменяются новыми.

Эта модель, казавшаяся логически стройной и лишенной противоречий, существовала до ХХ в.

В этой модели Вселенной было несколько недостатков. Для объяснения непонятных явлений было предположено существование божественного первотолчка, вмешательством Бога объяснялась и коррекция космических тел, то есть данная модель Вселенной не могла дать научного объяснения происхождению Вселенной. Вследствие этого появились космологические парадоксы.

Примечания

  1. Furley, 1981.
  2. Gatti, 1999, p. 103.
  3. McColley, 1936.
  4. Grant, 1994.
  5. О влиянии герметической литературы на Брадвардина см. работу Grant, 1969.
  6. Койре, 2001, с. 2—17 и особенно с. 14.
  7. Barker, 1990.
  8. Койре, 2001.
  9. Gatti, 1999, p. 105—106.
  10. Granada, 2008.
  11. Койре, 2001, с. 31—45.
  12. WMAP Cosmological Parameters (англ.). NASA. Goddard Space Flight Center. Проверено 22 марта 2013. Архивировано 22 марта 2013 года.
  13. N° 7-2013: PLANCK REVEALS AN ALMOST PERFECT UNIVERSE (англ.).
  14. Planck Collaboration.
    Planck 2013 results. XVI. Cosmological parameters (англ.) // ArXiv/astro-ph. — 2013. — Bibcode: 2013arXiv1303.5076P. — arXiv:1303.5076.
  15. P. A. R. Ade et al
    . (Planck Collaboration) (22 March 2013). «Planck 2013 results. I. Overview of products and scientific results».
    Astronomy and Astrophysics1303
    : 5062. arXiv:1303.5062. DOI:10.1051/0004-6361/201321529. Bibcode: 2013arXiv1303.5062P. Проверено 2015-07-13.
  16. Краткая история Вселенной. Архивировано 30 сентября 2008 года.
  17. 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.

Литература

  • Бакина В. И.
    Космологическое учение Гераклита Эфесского // Вестник Московского университета. Сер.7. Философия.. 1998.№ 4. С.42-55.
  • Бакина В. И.
    Космологические учения раннегреческих философов: Учеб. пособие. М., Изд-во Моск. ун-та. 1999. −104 с.
  • Вайнберг С.
    Первые три минуты: современный взгляд на происхождение Вселенной. — Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2000, 272 с. ISBN 5-93972-013-7
  • Гаврюшин Н. К.
    Византийская космология в XI веке // Историко-астрономические исследования. — М.: «Наука», 1983. Выпуск XVI. С.325-338.
  • Гаврюшин Н. К.
    Космологический трактат XV века как памятник древнерусского естествознания // Памятники науки и техники. 1981. М.: Наука, 1981, С. 183—197.
  • Лорен Грэхэм
    Глава XII Космология и космогония из книги Естествознание, философия и науки о человеческом поведении в Советском Союзе
  • Житомирский С. В.
    Гелиоцентрическая гипотеза Аристарха Самосского и античная космология. // Историко-астрономические исследования. М., 1986. Вып. 18. С. 151—160.
  • Идлис Г. М. Революции в астрономии, физике и космологии. М., 1985.-232 с.
  • Койре А.
    От замкнутого мира к бесконечной вселенной. — 2001..
  • Космологические произведения в книжности Древней Руси. Ч. II: Тексты плоскостно-комарной и других космологических традиций» // Серия «Памятники древнерусской мысли». Вып. IV(2) / Отв. ред.: В. В. Мильков, С. М. Полянский. СПб.: Издат. дом «Міръ», 2008 (640 с. (50Б7 а.л.).
  • Лебедев А. В. Фалес и Ксенофан (Древнейшая фиксация космологии Фалеса) // Античная философия в интерпретации буржуазных философов. М., 1981.
  • Лупандин И. В. Аристотелевская космология и Фома Аквинский // Вопросы истории естествознания и техники. 1989. № 2. С.64-73.
  • Макеев В. А. Древняя философская космография в современной культуре стран Востока. -М.: РУДН, 1993
  • Мочалова И. Н. О двух космологических традициях в Ранней Академии // Вестник Ленинградского государственного университета имени А. С. Пушкина (серия философия). 2007.- № 3 (6).- С.26-34.
  • Нагирнер Д. И. Элементы космологии. — СПб.: Изд-во СПбГУ, 2001.
  • Павленко А. Н. Современная космология: проблема обоснования // Астрономия и научная картина мира. М. ИФРАН, 1996;
  • Павленко А. Н. Европейская космология: основания эпистемологического поворота, М.- ИНТРАДА, 1997;
  • Сажин М. В. Современная космология в популярном изложении. URSS. 2002. 240 с
  • Семушкин А. В. Умозрительный культ космоса в раннегреческой философии // Религия в изменяющемся мире. — М.: Изд-во РУДН, 1994. — С.27-39.
  • Турсунов А. Философия и современная космология. М., 1977.
  • М. Л. Фильченков, С. В. Копылов, В. С. Евдокимов Курс общей физики: дополнительные главы.
  • Фролов Б. Число в архаической космологии // Астрономия древних обществ. М., 2002.С.61-68.
  • Чернин А. Д. Звезды и физика. Изд.2. URSS. 2004. 176 с.
  • Barker P.
    Copernicus, the orbs, and the equant. — Synthese. — 1990. — Т. 83, вып. 2. — P. 317—323.
  • C. Bonneau, S. Brunier. Une sonde defie l’espace et le temps. Science&Vie, № 1072, Janvier 2007, p. 43
  • Furley, David J.
    The Greek Theory of the Infinite Universe // Journal of the History of Ideas. — 1981. — Т. 42, № 4 (Oct. — Dec.). — P. 571–585..
  • Gatti H.
    Giordano Bruno and Renaissance Science. — Cornell Univercity Press, 1999..
  • Gombrich, R. F. «Ancient Indian Cosmology.» In Ancient Cosmologies, edited by Carmen Blacker and Michael Loewe, 110—142. London: Allen and Unwin, 1975.
  • Granada, Miguel A.
    Kepler and Bruno on the Infinity of the Universe and of Solar Systems // Journal for the History of Astronomy. — 2008. — Т. 39, № 4. — P. 469—495.
  • Grant E.
    Medieval and Seventeenth-Century Conceptions of an Infinite Void Space Beyond the Cosmos // Isis. — 1969. — Т. 60, № 201. — P. 39—60..
  • Grant E.
    Planets, Stars, and Orbs: The Medieval Cosmos, 1200—1687. — Cambridge, 1994..
  • Henderson, John B. The Development and Decline of Chinese Cosmology. Neo-Confucian Studies Series. New York: Columbia University Press, 1984.—>
  • McColley G.
    The seventeenth-century doctrine of a plurality of worlds // Annals of Science. — 1936. — № 1. — P. 385–430..
  • Sircar D.S. Cosmography and Cosmology in Early Indian Literature. Calcutta, 1976 (1 ed.: Calcutta,1967)

§ 27. Основы современной космологии

Строение и эволюция Вселенной

По сути дела, существовавшие на каждом этапе развития человеческой цивилизации представления о строении мира можно считать космологическими теориями соответствующей эпохи. Геоцентрическая система Аристотеля—Птолемея стала первой научно обоснованной космологической моделью Вселенной. Спустя 1500 лет её сменила новая космологическая модель — гелиоцентрическая система, предложенная Коперником.

    Космология — раздел астрономии, который изучает строение и эволюцию Вселенной в целом, используя при этом методы и достижения физики, математики и философии.

Теоретические модели, описывающие наиболее общие свойства строения и эволюции Вселенной, проверяются астрофизическими методами наблюдений. Очевидно, что выводы космологии имеют важное значение для формирования современной научной картины мира.

Теоретическим фундаментом современной космологии явилась созданная Альбертом Эйнштейном (1879—1955) в начале XX в. общая теория относительности — релятивистская теория тяготения.

Наиболее существенным отличием современных космологических моделей, первые из которых были разработаны Александром Александровичем Фридманом (1888— 1925) на основе теории Эйнштейна, является их эволюционный характер. Идея глобальной эволюции Вселенной оказалась столь необычной, что первоначально не была принята даже самим создателем теории относительности, таким выдающимся учёным, как Эйнштейн.

Даже позднее, когда стало очевидно, что все объекты во Вселенной изменяются с течением времени, казалось, что процессы, происходящие в её отдельных составных частях, не меняют облика всей Вселенной.

Эта идея была для Эйнштейна настолько очевидной, что Александр Александрович Фридман для уравнений теории относительности, применённых ко всей Вселенной, он стал искать решения, описывающие ее состояние, не меняющееся со временем. Для того чтобы уравновесить силы тяготения, он предположил, что кроме них во Вселенной существует сила отталкивания. Эта сила должна быть универсальной, зависящей только от расстояния между телами и не зависящей от их массы. Ускорение, которое она будет создавать этим телам, должно быть пропорционально расстоянию: а — const • R. Так в уравнениях появилась обусловленная гипотетическими силами отталкивания космологическая постоянная — лямбда-член

.

В 1922—1924 гг. российский математик Фридман вывел из общей теории относительности Эйнштейна уравнения, которые описывали общее строение и эволюцию Вселенной. Решения, полученные Фридманом для этих космологических уравнении, означали, что материя в масштабах однородной и изотропной Вселенной не может находиться в покое — Вселенная должна либо сжиматься, либо расширяться. Суть этого вывода, сделанного на основе математически строгого решения уравнений, можно объяснить довольно просто, оперируя только привычными понятиями теории тяготения Ньютона.

Будем исходить из предположения, что в больших масштабах распределение вещества во Вселенной можно считать однородным. Тогда галактика, которая находится на поверхности шара произвольного радиуса, притягивается к его центру согласно закону всемирного тяготения с силой, прямо пропорциональной массе шара М и обратно пропорциональной квадрату его радиуса R. Все остальные галактики, лежащие вне этого шара, не меняют величины этой силы. Для доказательства этого важного утверждения произвольно выделим во Вселенной шаровой слои толщиной h такого радиуса, чтобы внутри него оказались не только галактика А, но и весь шар радиусом R (рис. 6.26). Рассмотрим силы тяготения, действующие на галактику А со стороны тех галактик, которые расположены в этом слое в противоположных от неё направлениях. Эти силы создаются галактиками, расположенными в объёме элементов слоя V1 и V2. Сравним объём и массу этих элементов. Толщина их одинакова — h, а площади aS1 и S/sub>2 и объёмы пропорциональны квадратам расстояний от галактики до поверхности слоя — r1, и r2:

Так как распределение галактик во Вселенной считается однородным, отношение масс этих элементов будет таким же:

Силы, с которыми эти массы притягивают галактику А, согласно закону всемирного тяготения равны:

и

где m — масса галактики А.

Запишем отношение этих сил

и, подставив в него значение получим

или

    F1 = F2.

Таким образом, эти силы, равные по абсолютной величине и направленные в противоположные стороны, уравновешивают друг друга. Значит, галактики, находящиеся вне шара радиусом R, не влияют на величину силы, с которой галактика А притягивается галактиками, находящимися внутри этого шара.

Следовательно, можно написать следующее выражение для ускорения, которое имеет одна из этих галактик по отношению к галактике, расположенной в его центре:

Знак «минус» означает, что ускорение соответствует притяжению, а не отталкиванию. Из этой формулы следует, что Вселенная должна быть нестационарной, поскольку в ней действует тяготение. Галактики могут находиться в покое только мгновение. В следующий момент они придут в движение и будут сближаться под действием сил тяготения. Если же в начальный момент галактики будут иметь скорости, направленные так, чтобы они удалялись друг от друга, то в этом случае тяготение будет тормозить расширение Вселенной. Величина и направление скорости, которую имеют галактики в определённый момент, из теории тяготения не выводятся, их можно получить только на основе наблюдений.

Теоретические выводы Фридмана получили важное наблюдательное подтверждение в открытом Хабблом законе пропорциональности скорости удаления галактик их расстоянию:

    υ = HR.

Этот закон не выполняется только для нескольких ближайших галактик, включая туманность Андромеды.

Удаление галактик, которое происходит во все стороны со скоростями, прямо пропорциональными расстоянию от нас, не означает, однако, что наша Галактика занимает какое-то особое положение во Вселенной. Точно такая же картина «разбегания» галактик будет наблюдаться для любой другой галактики.

Выберем в пространстве, занятом галактиками, произвольно направленную прямую, которая проходит через нашу Галактику (рис. 6.27). На этой прямой окажется несколько галактик, которые удаляются со скоростями, подчиняющимися закону Хаббла, от нашей Галактики А (рис. 6.27, а). Теперь попробуем представить, какую картину разбегания галактик мы увидим, если перенесёмся на галактику В. Для того чтобы определить скорости всех галактик относительно неё, надо из скоростей, изображённых на рисунке 6.27, а, вычесть скорость галактики В (рис. 6.27, б). Полученная картина, которая представлена на рисунке 6.27, в, принципиально не отличается от предыдущей: скорости удаления галактик по-прежнему пропорциональны расстояниям.

Для того чтобы узнать, когда примерно началось наблюдаемое расширение, необходимо воспользоваться постоянной Хаббла Н. Галактика, находящаяся от нас на расстоянии R, удаляется со скоростью HR. Следовательно, разделив расстояние, пройденное галактикой с момента начала расширения, на её скорость, мы получим:

Величина, обратная постоянной Хаббла, даёт примерную оценку времени, которое прошло с момента начала расширения Вселенной. Нетрудно подсчитать, что это время составляет примерно 13,5 млрд лет.

Открытие Хабблом «красного смещения» и работы Фридмана, показавшего, что Вселенная не может быть стационарной, явились только началом исследований эволюции Вселенной.

Взаимное удаление галактик означает, что в прошлом они были гораздо ближе друг к другу, чем теперь. В ещё более раннюю эпоху плотность вещества была так велика, что во Вселенной не могло существовать ни галактик, ни звёзд и никаких других наблюдаемых ныне объектов. Расчёты прошлого, проведённые на основе космологических моделей Фридмана, показывают, что в момент начала расширения Вселенной её вещество должно иметь огромную (бесконечно большую) плотность.

Окончание >>>

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями: