Мегамир. Современная космология

Космология – это учение о Вселенной как целом, которое включает в себя теорию всей охваченной астрономическими наблюдениями области как части Вселенной (Метагалактика). В космологии рассматривается распределение, взаимодействие и движение масс в пространстве, геометрические свойства пространства, превращения энергии во Вселенной.

Вселенная – часть космоса, доступная эмпирическому наблюдению человека. Необходимо знать, что современное понимание космоса, в отличие от первоначального («порядок», «гармония», в противоположность «хаосу» – «беспорядку»), состоит в обозначении всего находящегося за пределами атмосферы Земли.

Цель изучения Вселенной – поиск законов функционирования ее как единого упорядоченного целого. Причем это изучение зиждется на следующих предпосылках:

1. Формулируемые физикой универсальные законы природы считаются действующими во всей Вселенной.

2. Производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространяемыми на всю Вселенную.

3. Истинными признаются только те научные выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, т. е. человека (так называемый антропный принцип).

Наконец, следует отдавать себе отчет в том, что, говоря о Вселенной, ее происхождении и развитии, мы будем иметь дело не с законами, а лишь с моделями, т.е. возможными вариантами объяснения, поскольку не представляется возможным в земных условиях провести эксперименты, воспроизводящие процессы, имевшие место в момент зарождения Вселенной. Иными словами, наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна.

Затем следует обратиться к рассмотрению гипотез происхождения Вселенной. Для этого необходимо вспомнить, какие представления об устройстве мира существовали в древних Индии, Египте, Вавилоне; вчем суть геоцентрической модели Вселенной К. Птолемея и гелиоцентрической модели Н. Коперника, а также какой вклад в развитие представлений о строении Вселенной внесли И. Кеплер, Г. Галилей, И. Ньютон.

В настоящее время наиболее признанной в науке является модель Большого Взрыва и однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности (ОТО) и релятивистской теории тяготения. В основе модели лежат две посылки:

1. Свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность).

2. Массы, создающие поле тяготения, искривляют пространство и меняют течение времени. Изменения гравитационного поля распределяются ввакууме со скоростью света, постоянство которой подтверждено экспериментально.

Из последнего утверждения вытекает в качестве следствия, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. Открытый в 1929 г. Э. Хабблом эффект «красного смещения» (при удалении от наблюдателя источника колебаний происходит понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его низкочастотной красной области) однозначно доказал, что небесные тела, составляющие Метагалактику, взаимно удаляются. Иными словами, Вселенная расширяется.

Этот процесс из-за сил гравитации протекает с замедлением.
С расширением плотность падает, замедление уменьшается. Для будущего Вселеннойимеются две возможности. Первая: плотность вещества во Вселенной достаточно мала и замедление мало. В этом случае расширение будет протекать неограниченно долго. Вторая: плотность вещества во Вселенной достаточно велика, велико и замедление расширения. В этом случае расширение прекращается и сменяется сжатием. Существует критическое значение плотности вещества р_крит, отделяющее один случай от другого. Критическая плотность примерно равна
10^-26 кг/м³. Если наблюдения покажут, что плотность вещества в настоящий момент р > р_крит, то расшире­ние должно смениться сжатием, при р < р_крит расширение будет длиться бесконечно долго. На основе существующего уровня наших знаний о распределении вещества во Вселенной принято считать, что реальная средняя плотность чуть меньше критической плотности. Если это представление верно, то реализуется первая возможность – расширение будет протекать неограниченно долго.

От величины средней плотности вещества зависят и геометрические свойства Вселенной. Согласно ОТО, степень искривления пространства зависит от массы тяготеющего вещества. Чем больше масса, тем сильнее кривизна. При больших массах кривизна может стать настолько велика, что может произойти «свертывание» пространства. Пространство становится конечным, но безграничным. Если масса мала, то «свертывания» пространства не происходит и пространство является бесконечным. Первый случай отвечает «замкнутому» миру, второй – «открытому».

Согласно модели расширяющейся Вселенной на основе закона Хаббла, можно примерно установить момент времени начала расширения Вселенной. Расчеты показывают, что это произошло около 15 миллиардов лет тому назад. К настоящему времени наибольшее распространение получила модель горячей Вселенной, которую предложил американский физик Дж. Гамов. Согласно модели Гамова, современная наблюдаемая Вселенная представляет собой результат катастрофически быстрого разлета материи, находившейся до того в начальном сверхплотном состоянии – точке сингулярности.

Из чего же образовалась Вселенная, что явилось источником появления смеси элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино)? Для понимания этого необходимо обратиться к научному толкованию термина «вакуум». Вакуум, который классическая физика считала пустотой, по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях «рождать» вещественные частицы. Также необходимо разобраться в сущности явления флуктуации и возможности образования в результате флуктуации из «возбужденного» вакуума плазмы – сгустка элементарных частиц.

Следующим важным вопросом, связанным с происхождением Вселенной, является вопрос об образовании и строении галактик. Нужно ясно представлять, какой состав, строение, форму могут иметь галактики. В 1963 г. были открыты квазизвездные радиоисточники (квазары) – самые мощные источники радиоизлучения во Вселенной со светимостью в сотни раз большей светимости галактик и размерами в десятки раз меньшими их. Было высказано предположение, что квазары представляют собой ядра новых галактик и, следовательно, процесс образования галактик продолжается и поныне.

Галактик – миллиарды, и в каждой из них насчитываются миллиарды звезд со своими планетарными системами, кометами и другими небесными телами.

Современной науке известны две основные концепции происхождения небесных тел: небулярная модель П. Лапласа, в соответствии с которой звезды и планеты образовались из рассеянного диффузного вещества (космической пыли) путем постепенного сжатия; и модель В. Амбарцумяна – о возникновении небесных тел из сверхплотного, состоящего из самых тяжелых элементарных частиц - гиперонов, дозвездного вещества путем его фрагментации. Необходимо уяснить сущность обеих гипотез, а также рассмотреть достоинства и недостатки каждой из них.

Затем следует усвоить, что все небесные тела можно разделить на испускающие энергию – звезды и неиспускающие – планеты, кометы, метеориты, космическая пыль. Выясните, какую функцию выполняют звезды, в чем состоит эволюционный цикл звезды, а также рассмотрите известные современной науке способы классификации звезд по размеру, цвету и светимости.

Далее необходимо обратиться к характеристике наиболее важной и интересной для человечества звезды – Солнца. Следует знать возраст, плотность, температуру поверхности, скорость движения вокруг оси галактики, цикл солнечнойактивности и другие важнейшиепараметры Солнца, а также что является источником солнечной энергии.Кроме того, ознакомьтесь с гипотезами происхождения Солнечной системы: электромагнитной, предложенной X. Альвеноми усовершенствованной Ф. Хойлом, и гипотезой О.Ю. Шмидта.

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение материи. Рассмотрите эволюцию взглядов на материю, ее видов, начиная от представлений древнегреческих натурфилософов до современных положений.

2. Охарактеризуйте движение как основной способ существования материи. Перечислите основные виды движения материи.

3. Что представляет собой взаимодействие материальных объектов? Перечислите фундаментальные взаимодействия и их переносчики.

4. Рассмотрите структурные уровни организации материи и проведите соответствие каждого из четырех фундаментальных взаимодействий определенному структурному уровню материи.

5. Дайте определения I и II законов классической равновесной термодинамики. Как формулируется закон сохранения энергии?

6. Дайте понятие энтропии как функции состояния, характеризующей направленность процессов в изолированной системе. Почему энтропию можно рассматривать как меру беспорядка системы?

7. Какие объекты относят к микромиру? Какие Вы знаете модели строения атома?

8. Перечислите самые известные элементарные частицы. Попробуйте охарактеризовать их, используя основные характеристики: массу покоя, заряд, время жизни, спин.

9. Что такое корпускулярно-волновой дуализм? Как рассматривают принцип дополнительности и соотношение неопределенностей двойственность объектов микромира?

10. Что изучает космология? Назовите объекты, изучаемые космологией.

11. Перечислите известные Вам гипотезы происхождения и эволюции Вселенной.

12. Объясните причину светимости звезд. Рассмотрите эволюцию звезд в зависимости от их массы.

13. Каково строение Солнечной системы и нашей Галактики? Какие единицы измерения используют при их описании?