Тема 14. Концепции космологии

Ключевые термины

Вселенная – часть материального мира, доступная для наблюдения.

Современная космология - это астрофизическая теория, изучающая структуру и динамику развития Вселенной.

Основателем научной космологии считается Николай Коперник, создавший гелиоцентрическую («Гелиос»- Солнце) модель Вселенной. В центр Вселенной Коперник поместил Солнце, вокруг которого вращались планеты, за орбитами планет располагалась среда неподвижных звезд.

Теория множественности миров была выдвинута Джордано Бруно. Он считал, что Вселенная состоит из бесконечного множества звезд, которые являются далекими солнцами, согревающими бесчисленные планеты. Окончательно идея полицентризма была доказана Галилео Галилеем. Он установил вращение планет вокруг Солнца и их сходство с Землей. Современник Галилея, Иоганн Кеплер уточнил законы движения планет. Согласно законам Кеплера планеты движутся по эллиптическим траекториям, в одном из фокусов которых находится Солнце. Эти исследования заставили отказаться от идеи, что Солнце- центр Вселенной.

Классическая модель Вселенной была построена Исааком Ньютоном. Принципиальными особенностями этой модели являются:

1. Вселенная вечна: бесконечна в пространстве и времени.

2. Пространство пассивно - является вместилищем небесных тел.

3. Количество звезд, планет и звездных систем во Вселенной бесконечно велико.

4. Движением и развитием небесных тел управляет закон всемирного тяготения.

5. Каждое небесное тело проходит длительную эволюцию и на смену погасшим светилам приходят новые.

Классическая модель Вселенной была признанной в науке вплоть до начала ХХ века.

После создания планетарной модели атома Резерфордом, идеи этой модели так же нашли отражение в космологии. В самом деле, если считать, что ядро атома - это Солнце, а электроны – планеты, то Мегамир по своей структуре аналогичен строению микромира.

Значительным явлением в космологии была гипотеза тепловой смерти Вселенной Р. Клазиуса и У. Кельвина, открывших термодинамический парадокс. В соответствии с этой гипотезой, различные виды энергии при всех превращениях в конечном итоге переходят в тепло, которое стремится к состоянию термодинамического равновесия, т. е. рассеивается в пространстве. Таким образом, Вселенную ожидает тепловая смерть. Л. Больцман предложил свое решение этого парадокса, сформулировав вероятностную гипотезу развития Вселенной. По его мнению, Вселенная почти всегда пребывает в состоянии тепловой смерти, но иногда в некоторых ее областях возникают крайне маловероятные отклонения от обычного состояния (флуктуации). Таким участком является Земля и весь видимый космос. В целом Вселенная - это мертвый океан с небольшими островками жизни. Однако расчеты показали, что вероятность возникновения такой гигантской флуктуации в пространстве мала.

В 1917 г. Альберт Эйнштейн выступил с гипотезой о стационарности Вселенной. Из расчетов Эйнштейна следовало, что Вселенная является четырехмерной сферой. Таким образом, Вселенная конечна по объему, как поверхность любой сферы, и не имеет границ. Количество звезд и звездных систем Вселенной, хотя и огромно, но конечно. В соответствии с теорией Эйнштейна, Вселенная не вечна и развивается в направлении тепловой смерти.

В 1922 году российский физик Александр Фридман на основании строгих расчетов сформулировал гипотезу о нестационарности Вселенной. По его мнению, Вселенная Эйнштейна не может быть стационарной. Она непременно должна расширяться, причем расширяться должно пространство. Вселенная Фридмана подобна раздувающемуся мыльному пузырю, площадь поверхности и радиус которого непрерывно увеличиваются. Из расчетов Фридмана вытекают три возможных следствия:

· Вселенная и ее пространство расширяются с течением времени;

· Вселенная сжимается;

· во Вселенной чередуются циклы расширения и сжатия.

Доказательства в пользу модели расширяющейся Вселенной были получены в 1926 году американским астрономом Д. Хабблом. При исследовании спектров далеких галактик он открыл красное смещение, т. е. смещение спектральных линий к красному концу спектра как следствие эффекта Доплера (изменение частоты колебаний и длины волны из-за движения источника излучения по отношению к наблюдателю). Красное смещение, т. е. увеличение длин волн у наблюдаемых объектов может происходить только у удаляющихся объектов. После этого открытия в космологии утвердилась модель расширяющейся Вселенной.
В последние десятилетия определена скорость разбегания галактик друг от друга, которая составляет около 55 км/с. Оценено время существования Вселенной - около 15 млрд. лет. Вопрос о цикличности расширений и сжатий пока остается открытым.

Современное естествознание объясняет возникновение Вселенной с помощью теории Большого взрыва. В соответствии с этой теорией, примерно 15 млрд. лет назад наша Вселенная была сжата в комок, в миллиарды раз меньший булавочной головки. По математическим расчетам, ее радиус практически был равен нулю, а плотность близка к бесконечности. Такое состояние получило название сингулярного - бесконечная плотность в точечном объеме. В состоянии сингулярности кривизна пространства и времени становится бесконечной, а сами эти понятия теряют смысл. Оно характеризуется энергией предельно высокой плотности, которой соответствует предельно высокая плотность вещества. В этом состоянии вещества в нем могут возникать сильнейшие напряжения и отрицательное давление, равносильное гравитационному отталкиванию огромной величины. Неустойчивое исходное состояние хаоса привело к взрыву, породившему скачкообразный переход к расширяющейся Вселенной.

Справедливость положений модели Большого взрыва экспериментально может быть подтверждена или опровергнута на Большом адронном коллайдере, испытания на котором планируются на конец 2008- начало 2009 г.г. Однако расшифровка результатов испытания может занять около 10 лет.

Неожиданным открытием стало обнаружение в космосе разнообразных органических молекул, вплоть до аминокислот. В настоящее время в межзвездных облаках их насчитывают более 50 видов. Еще более удивительно то, что органические молекулы находят во внешних оболочках некоторых не очень горячих звезд и в образованиях, температура которых незначительно отличается от абсолютного нуля. Таким образом, синтез молекул, в том числе органических, достаточно распространенное явление в космосе.