Космологія. Проблеми космології

Размещено на http://www.allbest.ru/

ХАРКІВСЬКА ОБЛАСНА ДЕРЖАВНА АДМІНІСТРАЦІЯ

Департамент ОХОРОНИ ЗДОРОВ'Я

КОМУНАЛЬНИЙ ЗАКЛАД ОХОРОНИ ЗДОРОВ'Я

ХАРКІВСЬКИЙ МЕДИЧНИЙ КОЛЕДЖ № 1

Реферат

З астрономії

Тема : «Космологія. Проблеми космології»

Виконала студентка групи Ф-01

відділення початкових курсів

Рєпєнко Каріна Володимирівна

Перевірила

Викладач астрономії

Т.Г. Лещенко

м. Харків 2016 р.



«Відкрилася безодня, зірок повна.

Зіркам числа нема, безодні - дна»

М.В. Ломоносов

Астрономія - парадоксальна наука

Астрономія - парадоксальна наука, яку людство створило немов на зло самому собі. Вона дає можливість нам за допомогою спостережень і обчислень буквально кожен день робити все нові й нові відкриття, і саме вони змушують нас розуміти, що ми не знаємо зовсім нічого про Всесвіт (Всесвіт - це весь існуючий матеріальний світ, безмежний у часі і просторі і нескінченно різноманітний за формами, які приймає матерія в процесі свого розвитку), про зірки і навіть про найближчих до нас планетах Сонячної системи. Сьогодні існують різні розділи астрономії, серед яких основними є наступні: галактична і позагалактична астрономії, фізика зірок, астрофізика, екзобіологія, астрохімія і космологія.

Прагнення представити структуру всього навколишнього світу завжди було однією з насущних потреб людства, що розвивається. «Як влаштований світ? Чому існує? Звідки узявся?» -- це приклади вічних питань. Їх задавали собі люди і тоді, коли справжньої науки ще не було, і потім, коли знання, що зароджуються і набирають силу, почали свій нескінченний рух у відшуканні істини.

На кожному історичному етапі у людей були різні пануючі уявлення про Всесвіт. Ці уявлення відображали той рівень знань і досвід вивчення природи, який досягався на відповідному етапі розвитку суспільства. У міру того як розширилися просторові (і тимчасові) масштаби пізнаної людиною частини Вселеною, мінялися і космологічні уявлення. Першою космологічною моделлю, що має Математичне обгрунтовування, можна рахувати геоцентричну систему миру К. Птолемея (II вік н. е.). В системі Птолемея в центрі Всесвіту була нерухома куляста Земля, а навкруги неї звертався Місяць, Сонце, планети, рухомі складною системою кіл -- «эпіциклів» і «диферентів», і, нарешті, все це було укладено в сферу нерухомих зірок. Тобто система претендувала на опис всього матеріального світу, тобто була саме космологічною системою. Як би наївно з нашої сьогоднішньої точки зору не виглядав цей «весь світ», необхідно відзначити, що в ній було раціональне зерно -- дещо ця система описувала в основному правильно. Звичайно, правильний опис торкався не всього світу, всього Всесвіту, а тільки маленької його частини. Що ж в цій системі було правильним? Правильним було уявлення про нашу планету як про кулясте тіло, вільно що висить в просторі; правильним було те, що Місяць звертається навкруги Землі. Все інше, як з'ясувалося, не відповідало дійсності. Наука тоді була ще в такому стані, що, за винятком окремих геніальних припущень, не могла вийти за рамки системи Земля -- Місяць. Система миру Птолемея панувала в науці близько 1,5 тисяч років. Потім її змінила геліоцентрична система миру Н. Коперника (XVI вік н. е.).

Революція, вироблена в науці навчанням Коперника, зв'язана в першу чергу з тим, що наша Земля була визнана рядовою планетою. Зникло всяке зіставлення «земного» і «небесного». Система Коперника також вважалася системою «всього світу». В центрі миру було Сонце, навкруги якого зверталися планети. Все це охоплювала сфера нерухомих зірок.

Як ми знаємо тепер, насправді система Коперника була зовсім не «системою миру», а схемою будови Сонячної системи, і в цьому значенні була правильною.

Надалі незвичайне розширення масштабів дослідженого миру завдяки винаходу і вдосконаленню телескопів привело до уявлення про зоряний Всесвіт. Нарешті, на початку XX століття виникло уявлення про Всесвіт як про світ галактик (метагалактики). При розгляді цього історичного ланцюжка змін космологічних уявлень ясно простежується наступний факт. Кожна «система миру» по суті була моделлю найбільшої достатньо добре вивченої на той час системи небесних тіл.

Так, модель Птолемея правильно відображала будову системи Земля -- Місяць, система Коперника була моделлю Сонячної системи, ідеї моделі зоряного миру В. Гершеля і ін. відображали деякі риси будови нашої зоряної системи -- Галактики. Але кожна з цих моделей претендувала свого часу на опис будови «всього Всесвіту».

вибух ейнштейн всесвіт космологічний

Космологія як наука

Космологія (від грец. ?????? -- «всесвіт» і грец. ????? -- «вчення») -- вчення про Всесвіт у цілому та про місце людства у ньому. Незважаючи на давність самого вчення, термін «космологія» був уперше введений філософом Крістіаном Вольфом лише в 1730 році -- і в наш час використовується в фізиці, філософії, езотериці та релігії.

Космологія - це наука про масштабне вивченні Всесвіту. Її основу складають базові теорії і формули астрономії, фізики і математики. Головним чином у рамках науки вивчається склад Всесвіту, її структура, вік і еволюція з моменту зародження.

Космологія - це співвідношення астрономічних спостережень, отриманих за різні епохи, і теорія відносності, яку подарував світові Альберт Ейнштейн. Саме завдяки цій фізичній знахідку на початку 20-го століття космологія стала окремою наукою, точної, заснованої на формулах і цифрах. До цього моменту вона вважалася якоїсь ефемерної частиною філософії, і тому не сприймалася світом всерйоз.

Отже, космологія - наука, що займається вивченням найбільш загальних питань про будову та еволюцію Всесвіту.

Висвітлення космологічних поглядів в українській філософії

Українська школа філософії опирається на радянську школу, дарма що стан гуманітарних наук у СРСР був не на найвищому рівні. Це зумовлювалось несиметричним ставленням радянської верхівки до природничих та гуманітарних наук, не на користь других. У результаті гуманітарні науки стали заручниками політичної пропаганди, базованої на поглядах вождів революції Володимира Леніна, Карла Маркса та Фрідріха Енгельса, виконуючи при цьому суто пасивну роль і не маючи достатніх умов для самостійного розвитку.

Розпад СРСР супроводжувався соціальними потрясіннями -- і кардинально не вплинув на стан гуманітарних наук в уже незалежній Україні. Як прямий наслідок, висвітлення великої низки новітніх досліджень в галузі філософії та пов'язаної з нею термінології, які до того часу розвивалися в країнах Європи та Америки, в українській філософії кінця 20-го та початку 21-го сторіч залишився незадовільним. Як приклад можна навести відчутний брак уваги до космологічних поглядів у релігії, метафізиці та езотериці, -- як і загалом до цих галузей. У цей період української філософії, практично вся новітня космологія була зведена до досягнень фізичної космології, що й відображено в філософських словниках епохи.

Прикладні напрямки

У наш час розрізняють чотири основні вчення про Всесвіт, які різняться між собою шляхами та методами здобуття знань:

Фізика та астрофізика відіграють провідну роль у розвитку фізичної космології -- розділу астрономії, який вивчає Всесвіт як ціле опираючись на закони фізики і використовуючи результати фізичних експериментів та астрофізичних спостережень.

Частиною світоглядної філософії є метафізична космологія, яка передбачає використання людської свідомості для формування інтуїтивних висновків про природу Всесвіту, людини та Бога і/або їх взаємозв'язків між собою базованих на розширені деякого набору припущень запозичених з духовного досвіду і/або спостережень.

Космологія є важливим витоком віри в релігії і міфології, які намагаються пояснити буття та природу дійсності. В деяких випадках, уявлення про створення (космогонія) і руйнування (есхатологія) Всесвіту відіграють центральну роль у формуванні структури релігійної космології, метою якої є зрозуміти роль людського суспільства у Всесвіті.

На протиріччі між релігією та філософією виникла езотерична космологія -- відмінна від релігійної космології меншою залежністю від традицій та впевненістю в інтелекті а не вірі, і, відмінною від метафізичної космології в її акценті на духовності як базовому понятті.

Фізична космологія

Фізична космологія -- підрозділ астрономії, який досліджує фізичне походження Всесвіту і його природу в найбільших масштабах. На раньому етапі свого розвитку, фізична космологія була тим, що зараз відомо як дослідження небосхилу та небесна механіка. Грецькі філософи Аристарх Самоський, Арістотель і Птоломей запропонували різні космологічні теорії. Зокрема геоцентрична система Птолемея, яка відпочатку була побудована на космологічній моделі Арістотеля, а згодом набула самостійного значення, довгий час слугувала для розрахунку та пояснення видимих рухів світил на небосхилі. Згодом, Ніколай Коперник запропонував значно простішу для розрахунків та уявного відтворення геліоцентричну модель сонячної системи, яка в той час утотожнювалась з моделлю Всесвіту. Йоган Кеплер, операючись на спостереження Тихо Браге, здійснив якісний матиматичний опис цієї моделі. Поряд з цим Галілео Галілей довів її правильність на основі власних спостережень та наукових методів досліджень, які сам тоді вперше сформолював. Роботи Галілея започаткували протистояння стрімко зростаючої фізичної космології, яка в той час була зародком науки, з релігійною космологією розширеною за рахунок космологічних поглядів Арістотеля що до руху світил на небосхилі. Наслідком такого протистояння став перегляд прихильниками релігійної космології деяких її категоричних тверджень та висновків зроблених на основі вчень Арістотеля, в той час як фізична космологія знайшла своє продовження в працях Ісаака Ньютона, який довершив створення цієї моделі формулюванням законів механіки та вивиденням закону тяжіння. Після відкриття зір і утотожнення їх із Сонцем, а також після відкриття нашої Галактики та великої кількості інших галактик у найвіддаленіших ділянках простору доступних спостереженням, модель Сонячної системи втратила значення моделі Всесвіту. Створення нової моделі Всесвіту було розпочато з гіпотези про поширеність законів механіки і всіх інших законів природи, відкритих в Сонячній системі, на всі ділянки простору та тіла у ньому. Базою такій гіпотезі слугували висновки теорії Ньютона про поширеність законів механіки на всі тіла Сонячної системи. Поширеність законів механіки та деяких інших законів природи (зокрема законів квантової механіки, яку можна вважати піґрунтям хімії, законів термодинаміки, електромагнетизму тощо) на віддалені об'єкти космосу з розвитком спостережувальної астрономії неодноразово перевірялась та підтверджувалась в явній та неявній формах в роботах численних астрономів.

Відчутного поштовху у напрямку розвитку фізична космологія зазнала після створення спеціальної та загальної теорій відносності Альбертом Ейнштейном. В спеціальній теорії відносності знайшли своє математичне відображення революційні на той час зміни у поглядах на простір і час, які природньо виникли під час спроб пояснити незалежність швидкості світла від руху спостерігача відносно джерела, встановлену в експериментах Хука і Фізо та, більш точно, в експерименті Майкельсона-Морлі. Згідно із цими поглядами, простір і час не є абсолютними та незалежними один від одного, а залежать від руху спостерігачів які їх вимірюють. Наступним важливим етапом для розвитку фізичної космології стала гіпотеза Ейнштейна про зв'язок геометричних характеристик простору-часу та енергетичних характеристик матерії -- енергії та імпульсу. Ця гіпотеза явно чи неявно лежить в основі всіх створених в наш час теорій гравітаційного поля, серед яких пальму першості та провідне місце по застосуванню займає загальна теорія відносності Ейнштейна, побудована на основі Ріманової геометрії чотиривимірного простору-часу (простір Мінковського). Фрідман знайшов розв'язки рівнянь загальної теорії відносності Ейнштейна для однорідного і ізотропного розподілу речовини у Всесвіті, що відповідає реальному розподілу речовини на найбільших доступних для спостереження масштабах, і показав що Всесвіт не є стаціонарним -- середня густина змінюється з часом. Едвін Хаббл підтвердив таку нестаціонарність встановивши залежність між зсувом спектрів далеких галактик (внаслідок ефекту Доплера) та відстаню до них. Згодом, низкою науковців, зокрема американським фізиком з України Георгієм Гамовим, був запропонований сценарій гарячого Всесвіту -- феноменологічний опис його розвитку. Цей сценарій був несподівано підтверджений відкриттям реліктового випромінювання, що залишилося від гарячої епохи. Існування такого випромінювання було передбачено Георгієм Гамовим.

Після створення інфляційної моделі Аланом Гутом, стало можливим пояснити механізм Великого Вибуху та деякі характеристики Всесвіту, серед яких -- залежність усередненої по всьому просторі амплітуди неоднорідностей густини від їх масштабу. Кульмінацією розвитку фізичної космології, стало відкриття неоднорідного розподілу температури залишкового випромінювання по кутових координатах в сопутниковому експерименті COBE та, більш точно, в експерименті WMAP. Наявність таких неоднорідностей передбачалась створеною теорією. На сьогоднішній момент космологія достатньо успішно пояснює розвиток Всесвіту від моменту Великого Вибуху до сьогоднішніх днів, кількісно описуючи всі його характеристики, і є наукою що стрімко розвивається.

Метафізична космологія

У філософії та метафізиці, космологія має справу з Всесвітом, який, за означенням, охоплює весь простір, час і всі явища. Історично, космологія мала доволі широкі межі, і в більшості випадків була заснована на релігії. Древні греки не робили різниці між таким її застосуванням та їх моделлями космосу. Однак, в сучасному застосуванні метафізична космологія займається проблемами Всесвіту, які лежать поза можливостями науки (фізичної космології). Відмінність метафізичної космології від релігійної космології полягає в тому, що перша наближається до цих питань використовуючи філософські методи (такі як діалектика тощо). Сучасна метафізична космологія намагається вирішити такі питання, як:

· Яке походження Всесвіту? Яка його першопричина? Його існування необхідне?;

· Які остаточні матеріальні компоненти Всесвіту?

· Яка кінцева причина для існування Всесвіту? Всесвіт має ціль?

Релігійна космологія

Більшість релігійних світів базуються на вірі, яка пояснює походження Всесвіту та життя. Часто вони засновані на біблійних вченнях та мають вигляд догматичної віри, однак в деяких випадках можуть бути розширені з допомогою філософських та метафізичних аргументів. В деяких вірах, Всесвіт є створений дією Бог-бога/богів, який/які також відповідальний/і за створення людства. В більшості випадків, релігійна космологія також передбачає кінець Всесвіту шляхом окремої божої дії або як наслідок початкового божого помислу.

І Християнство і Іудаїзм покладаються на оповіді Пророків як на біблійну основу релігійної космології.

Певні прихильники Буддизму, Індуїзму і Джайнізму вважають, що Всесвіт проходить через нескінченні цикли створення і руйнування, при цьому кожен цикл триває протягом трильйонів років (наприклад в Індуїзмі цикл триває 331 триліон років, що складає тривалість життя Брами), і має числені підцикли місцевого створення та руйнування (в Індуїзмі, як приклад, день Брами триває 4.32 млд років). Ведичне (індуське) бачення світу базується на істинному божественому принципі самопроектуванні як божественому слові, а 'народження' Всесвіту відбулося від моністичного Hiranyagarbha або Золотої Матки.

Складна суміш рідних Ведіку богів, духів і демонів, надставлених над божествами Індуїзму та Буддизму, їх віруваннями та традиціями, є ключем до Шрі-Ланкійської космології.

Деякі релігії сприймають відкриття зроблені в рамках фізичної космології, особливо великий вибух. Так, римська католицька Церква розглядає це як філософську пропозицію першопричини. Інші робили спроби використати методологію науки, щоб захистити погляди власних релігійних космологій, такі як інтелектуальний намір або креаціоністську космологію.

Езотерична космологія

Більшість езотеричних і окультних вчень містять доволі складну космологію. Вони складають мапу Всесвіту і станів існування та свідомості відповідно до світоглядних поглядів цієї специфічної доктрини. Ця космологія покриває багато проблем які розглядаються в релігійній та філософській космологіях, зокрема такі як походження, мету та долю Всесвіту і свідомості та природу існування. Тому досить важко відрізнити де кінець релігії чи філософії і початок езотерики та/або окультизму.

Загальні теми, до яких звертаються в езотеричній космології -- еманація, заплутаність, еволюція, епігенезис, грані існування, ієрархія божественого існування, космічні цикли (такі як космічний рік, Юга), йогічні або духовні дисципліни, стани свідомості тощо. Приклади езотеричної космології можна знайти зокрема в: Гностицизм, Книга Урантія, Тантра (зокрема Кашмір Шайвізм), Каббалах, Суфізм, Сурат Шабда Йога, Теософія, Антропософія, Четвертий Шлях, Розсекречення космоконцепцій, Бог Говорить тощо.

Космологія, розділена на дві гілки

Нині космологія як наука розділилася на дві гілки, як і вчені, які є її представниками. Емпірики при проведенні своїх робіт ґрунтуються виключно на спостереженнях за небесними світилами і матерією.

Вони не створюють різних моделей інших реальностей в земних умовах, бо впевнені в тому, що яким би не був результат, він далекий від реальності. Теоретики, навпаки, користуються розрахунками, результатами різних досліджень. В основі їх роботи може лежати побудова моделі певної ділянки космосу, чорної діри чи іншого об'єкта. Варто враховувати, що космологія - це наука, яка вивчає Всесвіт і в практичному плані, і в теоретичному. В обох школах була прийнята загальна концепція - Теорія Великого вибуху. Відповідно до неї, весь простір і час зародилося колись з дуже гарячою і щільної матерії. На противагу їй існує друга, менш знаменита, але не позбавлена сенсу теорія.

Вона говорить про те, що Всесвіт - одиниця стала, яка не має початку і кінця, моменту зародження або моменту падіння.

Дані, на яких заснована наука.

Існує шість основних принципів побудови Всесвіту, які використовуються в космології:

Простір ізотропно. Це означає, що всі об'єкти в космосі - як планети і астероїди, так і галактики і чорні діри - рухаються хаотично, поза певного порядку, і космологія вивчає саме даний рух. У деяких місцях вони можуть накопичуватися і утворювати області спотвореного простору, високого тиску і температури. В інших, навпаки, розсіюватися, розріджуючи простір до мінімуму.

Постійне розширення кордонів. Головним чином космологія вивчає еволюцію Всесвіту, і цей процес, можна сказати, відбувається прямо на наших очах. Всі космічні об'єкти, а особливо галактики віддаляються один від одного. При цьому чим більше їх параметри, тим швидше збільшуються відстані.

Простір, що оточує нашу планету, також ізотропно. Це говорить про те, що Земля, як і її орбіта, - рядова частина Всесвіту, яка за структурою мало чим відрізнятиметься від, скажімо, зон, наближених до планети Кеплер-36Б.

У відповідності з теорією Великого вибуху, вік Землі, всіх астероїдів, зірок, галактик і самого Всесвіту приблизно однаковий. Виникнення матерії дослідники опускають в століття приблизно на 20 мільярдів років, в той час як найстаріші зірки з'явилися близько 15 млрд років тому. Куди більші цифри наводять нам археологи, які відкопують скелети гігантських рептилій. У відповідності з цими даними, виходить, що Земля з'явилася раніше, ніж вся матерія в космосі. Насправді вчені довго недооцінювали параметри відстані між галактиками. Більш сучасні підрахунки дозволяють вважати, що Всесвіт нескінченний і в плані простору, і в плані часу.

Таємниці Всесвіту, який неосяжний, криються в самих малих її частинках - атомах. Як ми вже говорили вище, будь-яка ділянка простору буде ідентичний попередньому за своїм складом, який дослідники змогли вирахувати. На 10 атомів водню припадає 1 атом гелію.

Факт, який, навпаки, підтверджує правильність теорії постійного розширення Всесвіту, полягає в тому, що на великій відстані від СС куди більше квазарів, які живуть більш активним життям.

Наукова космологія - область знань, в рамках якої буквально кожен день відбуваються нові відкриття, породжуються теорії, кожна з яких правдоподібна і реалістична. Крім відомої концепції Вибуху існує так звана теорія асиметрії або взаємодії матерії і антиматерії. Вважається, що реліктове випромінювання в космосі народжувалося завжди і продовжує з'являтися завдяки взаємодії речовини і антиречовини. Ці ж дві субстанції знаходяться далеко не на рівних положеннях в космосі. З матерії складається все, про що ми знаємо. Антиматерія для людей існує тільки в розрахунках. Прийнято вважати, що в перші десять секунд існування світу стався збій симетрії, в ході якого античастинки залишилися в меншості, порівняно з частинками, і причини того невідомі.

Космологічні моделі світу

Коротка історія Всесвіту відображена в знаменитій теорії Великого вибуху. Вона народилася завдяки загальній теорії відносності Ейнштейна, яка лягла в основу розробок астрономів, які сформували модель розширюється матерії. Дана версія підтвердилася після того, як учений Хаббл зіставив відстані між галактиками і швидкість, з якою вони віддаляються один від одного. Третє підтвердження послідувало від Г. Гамова, який відкрив реліктове випромінювання. Це фонове явище зустрічається у всіх куточках Всесвіту і є немов «луною» епохи вибуху.

Неймовірні температури Вибуху

Коли намагаються пояснити дітям, як з'явився космос, кажуть, що раніше він був не більше горошини, але при цьому температура і тиск в ньому мало немислимі показники.

У реальності коротка історія Всесвіту мало чим відрізняється від цієї іграшкової моделі. Вік нашого навколишнього світу прирівнюють до 20 млрд. років. У той час коли Всесвіт був лише крапкою, тиск у ній було 1090 кг / см3. В таких умовах зародилася гравітація. До слова, вчені вважають, що даний термін не є чимось окремим або особливим. Гравітація - це спотворення простору, який виникає за рахунок щільності матерії. Це пояснює той факт, що до твердих космічних тіл прилягає атмосфера (хоч і мінімальна), а газові об'єкти і зірки не мають такого поля. Так, протягом століть космос розширювався, формуючи окремі гравітаційні поля.



Проблеми космології

Сучасний етап в розвитку космології характеризується інтенсивним дослідженням проблеми початку космологічного розширення, коли густина матерії і енергії частинок була величезною. Керівними ідеями тут є нові теоретичні відкриття у фізиці взаємодії елементарних частинок при дуже великих енергіях. Іншою важливою проблемою космології є проблема виникнення структури Всесвіту -- скупчень галактик, самих галактик і т.д. з первинно майже однорідної речовини, що розширяється.

На основі концепції Великого Вибуху були побудовані і альтернативні моделі реальності, які, в принципі, нічим не гірше основною. Суть даного конфлікту полягає в тому, що сингулярність простору в момент зародження, ізотропність в сьогоденні - це теорія, яка може бути складена на основі дослідження СС. За межами орбіт відомих нам планет зовсім інші умови, які можуть бути не ізотропними. Вчені вивели на основі цього три проблеми космології, які поки що вирішити неможливо, але вони дають їжу до подальших роздумів та досліджень.

Стан сингулярності

Саме такий стан, який, як припускають багато, було притаманне матерії на початку почав, може бути лише науковою фантастикою. Неймовірна щільність, спотворене простір і час, немислимі температури - все це вирахували в земних умовах на папері, але навіть в мініатюрі такі досліди не вдалися. Тому головна проблема космології - це відмова від сингулярності світу в момент зародження. Швидше за все, точкою відліку було інший стан матерії.



Відсутність ізотропності

Теоретики впевнені в тому, що весь простір в космосі однорідне, але практика показує, що це не так. Вивчення глибин Всесвіту доводять, що в одному місці спостерігається неймовірне скупчення галактик, в іншому простір пустує. Звичайно ж, щільність матерії в тому і іншому ділянці космосу не може бути однаковою. Тому можна заявити, що Всесвіт анізотропна, і її хімічний склад не скрізь однаковий.

Закритий чи відкритий космос

Нині для дослідників таємниці Всесвіту криються в її малих частинах, які і повинні вирішити подальший результат подій. Вираховується середня щільність матерії, і якщо в результаті вона буде перевершувати критичну позначку, то космос стиснеться, і замість вибуху нас очікує бавовна. Якщо ж щільність нижче прикордонної позначки, то Всесвіт буде нескінченно розширюватися, і виміряти її простір, обсяг і час буде просто нереально.

Геометрія і механіка Всесвіту

В основі теорії однорідного ізотропного Всесвіту лежать два постулати:

1. найкращим відомим описом гравітаційного поля є рівняння Ейнштейна; з цього виходить кривизна простору-часу і зв'язок кривизни з щільністю маси (енергії).

2. У Всесвіті немає яких-небудь виділених крапок (однорідність) і виділених напрямів (ізотропія), тобто всі крапки і всі напрями равноправни.

Останнє твердження часто називають космологічним постулатом, його можна назвати також узагальненим принципом Дж. Бруно. Якщо додатково передбачити, що космологічна постійна дорівнює нулю, а щільність маси створюється головним чином речовиною (фотонами і нейтрино можна нехтувати), то космологічні рівняння набувають особливо простого вигляд і можливими виявляються лише дві моделі. У одній з них кривизна простору негативна або, в межі, дорівнює нулю, простір нескінченно (відкрита модель); у такій моделі всі відстані з часом необмежено зростають. У іншій моделі кривизна простору позитивна, простір кінцевий (але настільки ж безмежно, як і у відкритій моделі); у такій (замкнутій) моделі розширення з часом змінялося стискуванням. В ході еволюції кривизна зменшується при розширенні, збільшується при стискуванні, але знак кривизни не міняється, тобто відкрита модель залишається відкритою, замкнута -- замкнутою.

Початкові стадії еволюції обох моделей абсолютно однакові: повинні були існувати особливий початковий стан з безконечною щільністю маси і безконечною кривизною простору і вибухове розширення, що сповільнюється з часом.

Невирішені проблеми

Релятивістська космологія пояснює спостережуваний сучасний стан Всесвіту, вона передбачила невідомі раніше явища. Але розвиток космології поставило і ряд нових, украй важких проблем, які ще не вирішені. Так, для вивчення стану речовини з щільністю набагато порядків вище за ядерну щільність, потрібна абсолютно нова фізична теорія (імовірно, якийсь синтез існуючої теорії тяжіння і квантової теорії). Для досліджень же стану речовини при безконечній щільності (і безконечній кривизні простору -- часу) доки немає навіть належних математичних засобів. Крім усього іншого, в такій ситуації повинні порушуватися безперервність часу і питання про те, що було «до» t = 0 стосовно звичайного (метричному) поняттю часу, позбавлений сенсу; необхідне те або інше узагальнене поняття часу. У вирішенні цієї групи проблем робляться лише перші кроки.

У міру розвитку теорії, а також засобів і методів спостережень уточнюватиметься само поняття космологічного Всесвіту. В рамках сучасної космології досить природно рахувати Метагалактику єдиною. Але питання топології простори -- часу розроблені ще недостатньо для того, щоб скласти уявлення про всі можливості, які можуть бути реалізовані в природі. Це треба мати на увазі, зокрема, і у зв'язку з проблемою віку Всесвіту.

Не виключено, що настільки ж важко буде пояснити зарядову асиметрію у Всесвіті: у нашому космічному оточенні (в усякому разі, в межах Сонячної системи, а ймовірно, і в межах всієї Галактики) має місце переважне кількісне переважання речовини над антиречовиною. Тим часом, згідно з сучасними теоретичними виставами, речовина і антиречовина досконала равноправни. Космологія поки не дає досить переконливого пояснення такого протиріччя.

Доки немає також переконливої теорії виникнення зірок і галактик (погранична проблема космології і космогонії). Ця проблема щонайменше настільки ж важка, як і ін. фундаментальні проблеми виникнення в сучасній науці (виникнення планет, виникнення життя). Існує і ряд ін. невирішених проблем космології.

Основні концепції космології

Протягом всієї історії цивілізації людство прагне пізнати навколишній світ і зрозуміти, яке місце воно займає у Всесвіті. Всесвіт - найбільша матеріальна система. Її походження цікавить людей ще з давніх часів. Спочатку Всесвіт був «пуста та порожня» - так сказано в біблії. Спочатку був вакуум - уточнюють сучасні фізики. Які ж витоки походження Всесвіту? Як вона розвивається? Яка її структура? На ці та інші питання намагалися відповісти вчені різних часів. Проте навіть найбільші досягнення природознавства ХХ ст. не дозволяють дати повністю вичерпні відповіді.



Припущення А. Ейнштейна

Тим не менш, прийнято вважати, що основні положення сучасної космології - науки про будову і еволюцію Всесвіту - почали формуватися після створення в 1917 р. А. Ейнштейном першого релятивістської моделі, заснованої на теорії гравітації і претендувала на опис всього Всесвіту. Ця модель характеризувала стаціонарний стан Всесвіту і, як показали астрофізичні спостереження, виявилася невірною.

Висновки А.А. Фрідмана

Важливий крок у вирішенні космологічних проблем зробив у 1922 р. професор Петроградського університету А.А. Фрідман (1888-1925). У результаті рішення космологічних рівнянь він прийшов до висновку: Всесвіт не може, знаходиться в стаціонарному стані - він повинний розширюватися або звужуватися.

Емпіричний закон - закон Хаббла

Наступний крок був зроблений в 1924 р., коли в обсерваторії Маунт Вілсон в Каліфорнії американський астроном Е. Хаббл (1889-1953) виміряв відстань до найближчих галактик (у той час званих туманностями) і тим самим відкрив світ галактик. У 1929 р. в тій же обсерваторії Е. Хаббл по червоному зміщення ліній у спектрі випромінювання галактик експериментально підтвердив теоретичний висновок А.А. Фрідмана про розширення Всесвіту і встановив Емпіричний закон - закон Хаббла: швидкість видалення галактики V прямо пропорційна відстані r до неї, тобто

V = Hr



де H - стала Хаббла.

З плином часу стала Хаббла поступово зменшується - розбігання галактик сповільнюється. Але таке зменшення за спостережуваний проміжок часу мізерно малий. Зворотною величиною постійною Хаббла визначається час життя (вік) Всесвіту. З результатів спостереження випливає, що швидкість розбігання галактик збільшується приблизно на 75 км \ с на кожен мільйон парсеків (1 Пк = 3,3 св. р.; світловий рік - це відстань, яку проходить світло у вакуумі за 1 земний рік). При даній швидкості екстраполяція до минулого приводить до висновку: вік Всесвіту становить близько 15 млрд. років, а це означає, що весь Всесвіт 15 млрд. років тому була зосереджена в дуже маленькій області. Передбачається, що в той час щільність речовини Всесвіту була порівнянною з щільністю атомного ядра, і весь Всесвіт представляла собою величезну ядерну краплю. З якихось причин ядерна крапля опинилася в нестійкому стані і вибухнула. Це припущення лежить в основі концепції Великого вибуху.

Твором часу життя Всесвіту на швидкість світла визначається радіус космологічного горизонту - межа пізнання Всесвіту за допомогою астрономічних спостережень. Інформація про об'єкти за космологічним горизонтом до нас ще не дійшла - ми не можемо зазирнути за космологічний горизонт. Нескладний розрахунок показує, що радіус космологічного горизонту дорівнює приблизно 10 м. Очевидно, що цей радіус щомиті збільшується приблизно на 300 тис. км. Але таке збільшення мізерно мало в порівнянні з величиною радіуса космологічного горизонту. Для спостереження помітного розширення космологічного горизонту потрібно почекати мільярди років.

В даний час обговорюється ще одна гіпотеза - гіпотеза пульсуючого Всесвіту: Всесвіт не завжди розширювався, а пульсував між кінцевими межами щільності. З неї випливає, що в деякому минулому швидкість видалення галактик була меншою, ніж зараз, і були періоди, коли Всесвіт стискалася, тобто галактики наближалися один до одного і швидкість більша, ніж більша відстань їх розділяла.

Гіпотези Г.А. Гамова

У міру розвитку природознавства і особливо ядерної фізики висуваються різні гіпотези про фізичні процеси на різних етапах космологічного розширення. Одна з них запропонована наприкінці 40-х рр. ХХ ст. Г.А. Гамовим (1904-1968), фізиком - теоретиком, який емігрував у 1933 р. з Радянського Союзу в США, і називається моделлю гарячого Всесвіту. У ній розглянуті ядерні процеси, що протікали в початковий момент розширення Всесвіту в дуже щільному речовині з надзвичайно високою температурою. З розширенням Всесвіту щільне речовина охолоджувалося.

З цієї моделі випливає два висновки:

- Речовина, з якого зароджувалися перші зірки, складалося в основному з водню (75%) і гелію (25%);

- У сьогоднішньому Всесвіті має спостерігатися слабке електромагнітне випромінювання, яке зберегло пам'ять про початковий етап розвитку Всесвіту, і тому названий реліктовим.

Реліктове випромінювання А. Пензіса і Р. Вільсона

З розвитком астрономічних засобів спостереження, і зокрема, з народженням радіоастрономії, з'явилися нові можливості пізнання Всесвіту. У 1965 р. американські астрофізики А. Пензіас і Р. Вільсон експериментально виявили реліктове випромінювання. Реліктове випромінювання - це фонове изотропное космічне випромінювання зі спектром, близьким до спектру випромінювання абсолютно чорного тіла з температурою близько 3 К.

У 2000 р. повідомлялося: зроблено важливий крок на шляху розуміння самого раннього етапу еволюції Всесвіту. У лабораторії європейських ядерних досліджень в Женеві отримано новий стан матерії - кварк - глюонна плазма. Передбачається, що в такому стані Всесвіт перебувала в перші 10 мкс після великого вибуху. До цих пір вдавалося охарактеризувати еволюцію матерії на стадії не раніше трьох хвилин після вибуху, коли вже сформувалися ядра атомів.

Космологія Великого Вибуху

Бельгійський астроном Жорж Ламетрі, який вивчав зірки, висловив припущення, що 15 мільярдів років тому Всесвіт був маленьким і дуже щільним. Це стан Всесвіту він назвав «космічним яйцем». Відповідно до його розрахунків, радіус Всесвіту в первісному стані був рівний 10 см, що близько за розмірами до радіусу електрона, а її щільність становила 10 р. / см, тобто Всесвіт представляв собою мікрооб'єкт мізерно малих розмірів.

Від початкового стану Всесвіт перейшла до розширення в результаті Великого вибуху, тобто вся матерія, що входила до складу «космічного яйця», вирвалася назовні з великою швидкістю і розлетілася в усіх напрямках.

Сучасні галактики були фрагментами цього будинку, що вибухнув («яйця»). Зірки галактик у свою чергу розвивалися, поки не прийняли сучасний стан. Зазвичай для визначення цього явища використовують англійський вираз Big-Bang, що означає «великий вибух».

Отже, в основі в основі сучасних уявлень про еволюцію Всесвіту лежить модель гарячого Всесвіту, або «Великого Вибуху».

Ключ до розуміння ранніх етапів еволюції Всесвіту - гігантська кількость теплоти, що виділилася при Великому Вибухі. У найпростішому варіанті теорії гарячого Всесвіту передбачається, що Всесвіт виник спонтанно в результаті вибуху зі стану з дуже великою щільністю і енергією. З розширенням Всесвіту температура падала від дуже великої до досить низької, забезпечуючи виникнення умов, сприятливих для утворення зірок і галактик. На протязі близько 1 млн. років температура перевищувала кілька тисяч градусів, що перешкоджало утворенню атомів, і, отже, космічне речовина мало вигляд розігрітій плазми. Лише коли температура знизилася, виникли перші атоми. Таким чином, атоми - це релікти епохи, що настала через 1 млн років після Великого Вибуху.

Як було сказано раніше, Г.А. Гамов припустив, що температура речовини була велика і падала з розширенням Всесвіту. Його розрахунки показали, що Всесвіт у своїй еволюції проходить певні етапи, в ході яких відбувається утворення хімічних елементів і структур.



Висновок

Отже, космологія - фізичне вчення про Всесвіт як вцілому, що включає в себе теорію всієї охопленої астрономічними спостереженнями області простору - Метагалактики як частини Всесвіту. Термін «космологія» іноді можна зустріти в старому його значенні - як сукупності уявлень про світобудову (наприклад, космологія стародавніх греків, індійців, китайців, майя). У своїх далекосяжних висновках космологія стикається з проблемами філософії, що вивчає найбільш загальні закони існування і розвитку неживої і живої природи, включаючи розвиток людського суспільства.

Сучасна космологія - це складна, комплексна і швидко розвивається система природно-наукових (астрономія, фізика, хімія та ін) і філософських знань про Всесвіт в цілому, заснована як на спостережних даних, так і на теоретичних висновках, належать до охопленої астрономічними спостереженнями частини Всесвіту. Теоретико - методологічний фундамент космології складають сучасні фізичні теорії, а також філософські принципи і подання. Глибинна зв'язок космології і фізики базується на тому, що космологи в сучасній Всесвіту шукають «сліди» тих процесів, які відбувалися у момент народження Всесвіту. А такими «слідами» насамперед виступають фундаментальні властивості фізичного світу - три просторових вимірювання і одне тимчасове; чотири фундаментальні взаємодії; переважання частинок над античастицами та ін. Емпіричні дані, представлені головним чином позагалактичної астрономією, свідчать про те, що ми живемо в еволюціонуючої, що розширюється, нестаціонарної Всесвіту.

Слід підкреслити визначаючу роль астрофізичних наглядів в розвитку сучасної космології. Її висновки і висновки перевіряються прямими або непрямими наглядами. Сьогодні ми можемо судити про будову і еволюцію спостережуваного нами Всесвіту з тим же ступенем надійності, з якою ми судимо про будову і еволюцію зірок, про природу інших небесних тел.

Космологія швидко розвивається. Багато нових робіт в цій області з'являється у відкритому друці останніми роками. Але розказати про всі неможливо, кожна з них - тема для окремої роботи.

Сьогодні можна достатньо упевнено укласти: Всесвіт в основному заповнений невидимою речовиною. Воно утворює протяжність галактик і заповнює міжгалактичний простір, концентруючись в скупченнях галактик.

Отже, спроби розібратися, з чого ж складається Всесвіт, привели у наш час до вельми цікавої ситуації. На початку ХХI сторіччя виявляється, що всі астрономічні об'єкти, що вивчалися дотепер, складають лише незначну частку космічної речовини. Це справжній виклик людському знанню. Залишається сподіватися, що новітні методи астрономії, такі, як метод гравітаційного мікролінзування, дозволять в майбутньому пролити світло на захоплюючу і загадкову проблему невидимої речовини в нашій Галактиці і у Всесвіті.

Космологія - це область знань, яка вивчає Всесвіт як єдине ціле. Це теоретична наука, яка може логічно пояснити різні явища в космосі, обгрунтувати ті чи інші пересування галактик і зірок.

Размещено на Allbest.ur