Современные космологические модели Вселенной

КСЕ. СЕМИНАР № 5

Тема: «МЕГАМИР: СОВРЕМЕННЫЕ АСТРОФИЗИЧЕСКИЕ И КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ»

ВОПРОСЫ ДЛЯ ОБСУЖДЕНИЯ НА СЕМИНАРЕ:

Вопрос 1. Понятие мегамир (космос) в современной науке. Соотношение понятий «Вселенная» и «Мегамир».

Вопрос 2. Современные космологические модели вселенной.

Ответ на вопрос предполагает раскрытие следующих моментов:

- В чем суть теории стационарного состояния вселенной? Когда она сложилась? Каковы ее основные постулаты? Каковы ее парадоксы?

- В чем суть модели эволюционирующей вселенной?

- Какова вселенная в космологической модели Эйнштейна?

- Какова вселенная в модели В. Де Ситтера?

- В чем вклад в развитие представлений о вселенной Фридмана?

- В чем вклад в развитие представлений о вселенной Ж. Леметра?

- В чем вклад в развитие представлений о вселенной Хаббла?

Вопрос 3. Проблема происхождения и эволюции вселенной.

Ответ на вопрос предполагает раскрытие следующих моментов:

- В чем суть гипотезы Большого Взрыва? Какие основные этапы проходит вселенная согласно этой концепции?

- Как описывается эволюция вселенной в инфляционной модели? Каковы основные этапы проходит вселенная согласно этой концепции?

- В чем разница этих двух моделей?

Вопрос 4. Структура Вселенной.

Ответ на вопрос предполагает раскрытие следующих моментов:

- Понятие метагалактики. Характеристика Метагалактики.

- Понятие галактики. Типы галактик.

- Понятие звезды. Возраст звезд. Рождение звезд.

- Понятие солнечной системы. Структура солнечной системы. Гипотезы возникновения солнечной системы. Современные представления о возникновении солнечной системы.

ПИСЬМЕННОЕ ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ:

Задание 1.

Дайте письменный ответ на следующие вопросы:

A. В чем суть гипотезы Большого Взрыва? Какие основные этапы проходит вселенная согласно этой концепции?

B. Как описывается эволюция вселенной в инфляционной модели? Каковы основные этапы проходит вселенная согласно этой концепции?

C. В чем разница и сходство этих двух моделей?

 

Задание 2.

Приведите в соответствие правую и левую колонки таблицы:

1. Метагалактика	A. Группа небесных тел, различных по размерам и физическому строению, включая Солнце, большие планеты, спутники планет, малые планеты (астероиды), кометы, метеоритные тела.
2. Галактика	B. Взаимодействующая и развивающаяся система всех небесных тел.
3. Солнечная система	C. Гигантская система, состоящая из скоплений звезд и туманностей.
4. Мегамир	D. Совокупность звездных систем – галактик.

МАТЕРИАЛ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ

(материал составлен на основе учебника «Концепции современного естествознания» под редакцией В.Н. Лавриненко)

Тема: МЕГАМИР: СОВРЕМЕННЫЕ АСТРОФИЗИЧЕСКИЕ И КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ

Мегамир, или космос, современная наука рассматривает как взаимодействующую и развивающуюся систему всех небесных тел. Мегамир имеет системную организацию в форме планет и планетных систем, возникающих вокруг звезд и звездных систем — галактик.

Все существующие галактики входят в систему самого высокого порядка — Метагалактику. Размеры Метагалактики очень велики: радиус космологического горизонта составляет 15—20 млрд световых лет.

Понятия «Вселенная» и «Метагалактика» — очень близкие понятия: они характеризуют один и тот же объект, но в разных аспектах. Понятие «Вселенная» обозначает весь существующий материальный мир; понятие «Метагалактика» — тот же мир, но с точки зрения его структуры — как упорядоченную систему галактик.

Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. Космология как раздел естествознания находится на своеобразном стыке науки, религии и философии. В основе космологических моделей Вселенной лежат определенные мировоззренческие предпосылки, а сами эти модели имеют большое мировоззренческое значение.

 

Современные космологические модели Вселенной

В классической науке существовала так называемая теория стационарного состояния Вселенной, согласно которой Вселенная всегда была почти такой же, как сейчас. Наука XIX в. рассматривала атомы как вечные простейшие элементы материи. Источник энергии звезд был неизвес-тен, поэтому нельзя было судить об их времени жизни. Когда они погаснут, Вселенная станет темной, но по-прежнему будет стационарной. Холодные звезды продолжали бы хаотическое и вечное блуждание в пространстве, а планеты порождали бы свой неизменный бег по рискованным орбитам. Астрономия была статичной: изучались движения планет и комет, описывались звезды, создавались их классификации, что было, конечно, очень важно. Но вопрос об эволюции Вселенной не ставился.

Классическая ньютоновская космология явно или неявно принимала следующие постулаты:

• Вселенная — это все существующее, «мир в целом». Космология познает мир таким, каким он существует сам по себе, безотносительно к условиям познания.

• Пространство и время Вселенной абсолютны, они не зависят от материальных объектов и процессов.

• Пространство и время метрически бесконечны.

• Пространство и время однородны и изотропны.

• Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.

 

В ньютоновской космологии возникали два парадокса, связанные с постулатом бесконечности Вселенной.

Первый парадокс получил название, гравитационного. Суть его заключается в том, что если Вселенная бесконечна и в ней существует бесконечное количество небесных тел, то сила тяготения будет бесконечно большая, и Вселенная должна сколлапсировать, а не существовать вечно.

Второй парадокс называется фотометрическим: если существует бесконечное количество небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, что не наблюдается.

Эти парадоксы, не разрешимые в рамках ньютоновской космологии, разрешает современная космология, в границах которой было введено представление об эволюционирующей Вселенной.

Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в общей теории относительности (ОТО).

Основное уравнение ОТО связывает геометрию пространства (точнее, метрический тензор) с плотностью и распределением материи в пространстве.

Впервые в науке Вселенная предстала как физический объект. В теории фигурируют ее параметры: масса, плотность, размер, температура.

Уравнение тяготения Эйнштейна имеет не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая модель была разработана А. Эйнштейном в 1917 г. Он отбросил постулаты ньютоновской космологии об абсолютности и бесконечности пространства. В соответствии с космологической моделью Вселенной А. Эйнштейна мировое пространство однородно и изотроцно, материя в среднем распределена в ней равномерно, гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Модель А. Эйнштейна носит стационарный характер, поскольку метрика пространства рассматривается как независимая от времени. Время существования Вселенной бесконечно, т.е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно.

Вселенная в космологической модели А. Эйнштейна стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве.

Эта модель казалась в то время вполне удовлетворительной, поскольку она согласовывалась со всеми известными фактами. Но новые идеи, выдвинутые А. Эйнштейном, стимулировали дальнейшее исследование, и вскоре подход к проблеме решительно изменился.

В том же 1917 г. голландский астроном В. де Ситтер предложил другую модель, представляющую собой также решение уравнений тяготения. Это решение имело то свойство, что оно существовало бы даже в случае «пустой» Вселенной, свободной от материи. Если же в такой Вселенной появлялись массы, то решение переставало быть стационарным: возникало некоторого рода космическое отталкивание между массами, стремящееся удалить их друг от друга. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.

В 1922 г. русский математик и геофизик А.А. Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решение уравнений Эйнштейна, описывающее Вселенную с «расширяющимся» пространством.

Решение уравнений А.А. Фридмана допускает три возможности. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине, мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лоба-чевского и также неограниченно расширяется. И наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния.

Поскольку средняя плотность вещества во Вселенной неизвестна, то сегодня мы не знаем, в каком из этих пространств Вселенной мы живем.

В 1927 г. бельгийский аббат и ученый Ж. Лвметр связал «расширение» пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятие «начало Вселенной» как сингулярности (т.е. сверхплотного состояния) и рождения Вселенной как Большого взрыва.

В 1929 г. американский астроном Э.П. Хаббл обнаружил существование странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики движутся от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, — система галактик расширяется.

Расширение Вселенной долгое время считалось научно установленным фактом, однако однозначно решить вопрос в пользу той или иной модели в настоящее время не представляется возможным.