Вопрос 6. Космология как наука. Понятие вселенной
Понятия "Космос" и "Вселенная" связаны с возникновением жизни на Земле, и возможной жизнью на других планетах. Всё разнообразие окружающей жизни обязано своим существованием тому удивительному стечению обстоятельств, которое имело место в одном из уголков Вселенной.
Ученые всех времен и народов, глядя на звёздное небо, задавали вопросы: "Откуда берутся звёзды, куда они исчезают, и что поддерживает порядок во Вселенной?"
Вселенную в целом изучает наука, называемая космологией, то есть наукой о космосе. Слово это тоже не случайно. Хотя сейчас космосом называется всё, находящееся за пределами атмосферы Земли, не так было в Древней Греции. Космос тогда принимался как "порядок", "гармония", в противоположность "хаосу" - "беспорядку".
Люди всегда хотели знать, как возник мир. В древние времена считалось, что мир произошёл из-за действий идеального высшего существа. С появлением науки представление о происхождении Вселенной изменилось. Значение термина Вселенная более узкое и приобрело специфическое научное звучание. Вселенная – место вселения человека.
Таким образом, космология, в основе своей, как и подобает науке, открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого. Это изучение основывается на нескольких предпосылках.
|
|
|
Во-первых, формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной. Во-вторых, астрономические наблюдения тоже распространяются на всю Вселенную. В-третьих, правильными считаются те выводы. Которые не противоречат существованию наблюдения.
Выводы Космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Почему моделями? Потому, что одним из принципов современной науки является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента на изучаемом объекте. Только если можно провести бесконечно много экспериментов, и все они приведут к одинаковому результату, то можно будет сделать заключение о наличии закона, которому подчиняется данный объект. Лишь в этом случае результат считается вполне достоверным с научной точки зрения.
К Вселенной нельзя применить это правило. Наука формирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. В связи с этим противоречием все заключения о происхождении и развитии Вселенной принято считать моделями, а не законами, то есть возможными вариантами объяснения. Строго говоря, все законы являются моделями, потому как в процессе развития науки могут быть заменены другими концепциями, но модели Вселенной как бы в большей степени модели, чем многие иные научные утверждения.
|
|
|
Вопрос 7. Космологические модели Вселенной
А. Энштейном была предложена модель Вселенной, в которой локальные искривления пространства-времени гравитирующими массами приводит к глобальному искривлению, делающему Вселенную замкнутой по пространственным координатам. В этой цилиндрической модели Энштейна временная координата не искривляется (время равномерно течет от прошлого к будущему). Впоследствии цилиндрическая модель была усовершенствована голландским астрофизиком Виллем де Ситтером, предположившим на основании наблюдаемого красного смещения, что время в удаленных частях Вселенной течет замедленно (искривление по временной координате) – модель замкнутой гиперсферы. Обе эти стационарные модели Вселенной имеют два недостатка: необходимость предположить существование дополнительных взаимодействий, препятствующих сжатию Вселенной под действием гравитирующих масс, проблема “утилизации” света, испущенного звёздами в предшествующие моменты времени в замкнутое пространство.
|
|
|
Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной Альбертом Эйнштейном в 1916г. В основе этой модели лежат два предположения: свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность); наилучшим известным описанием гравитационного поля являются уравнения Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, - релятивистская.
Важным пунктом данной модели является ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности: принцип относительности, гласящий, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями равномерно и прямолинейно движутся эти системы друг относительно друга; экспериментально подтвержденное постоянство скорости света.
Из теории относительности следовало, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться или сжиматься. Первым это заметил в 1922г. петербургский физик и математик Александр Александрович Фридман. На этот вывод не обращали внимания вплоть до открытия американским астрономом Эдвином Хабблом в 1929 г. так называемого красного смещения.
|
|
|
Красное смещение - это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Согласно обнаруженному ранее эффекту Доплера при удалении от нас какого-либо источника колебаний, воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит "покраснение", т.е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.
Так вот, для всех далеких источников света красное смещение было зафиксировано, причем, чем дальше находился источник, тем в большей степени. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т.е. о расширении Метагалактики - видимой части Вселенной.
Красное смещение надёжно подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка несколько миллиардов лет. По красному смещению определены скорости удаления галактик. У многих галактик они очень велики, соизмеримы со скоростью света. Самыми большими скоростями, иногда превышающими 250000 км/с., обладают некоторые квазары, считающиеся самыми удаленными от нас объектами Метагалактики. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой. В зависимости от кривизны пространства различают: открытую модель, в которой кривизна отрицательна или равна нулю, замкнутую модель с положительной кривизной.
Расстояние между скоплениями галактик со временем непрерывно увеличивается, что соответствует бесконечной Вселенной. В замкнутых моделях Вселенная оказывается конечной, но столь же неограниченной, так как двигаясь по ней, нельзя достигнуть какой – либо границы.
Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом Взрыве, происшедшем примерно 12-18 млрд лет назад.
На сегодняшний день наиболее популярна предложенная Фридманом модель расширяющейся Вселенной (красное смещение и конечная светимость неба объясняются эффектом Доплера, нет необходимости во введении компенсирующих гравитацию взаимодействий), глобально искривленной из-за наличия гравитирующих масс. Обсуждаются её две модификации:
1. Замкнутая модель (геометрический аналог – расширяющаяся гиперсфера предсказывает постепенное замедление расширения вследствие торможения гравитационными силами с последующим переходом к сжатию.
2. Открытая модель (геометрический аналог – "седло") – замедляющееся расширение, происходящее бесконечно долго.
В настоящее время предпочтение отдаётся открытой модели, поскольку оценки средней плотности вещества во Вселенной, сделанные на основе наблюдаемой концентрации звёзд, показывают, что гравитационные силы не способны остановить происходящее с наблюдаемой скоростью разбегание. Оценки могут существенно измениться в пользу закрытой модели при наличии в космосе скрытых масс несветящегося вещества (например за счет ненулевой массы покоя нейтрино).
Уравнения Общей теории относительности оказались весьма "гибкими" и допускают наличие большого числа космологических моделей Вселенной и сценариев их временного развития.
Теория относительности соответствует двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства – времени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна положительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относительности согласуется с нынешним имперически подтвержденным расширением Вселенной.
Неизбежно возникает вопрос: что же тогда было, когда не было ничего и что находится за пределами расширения? Первый вопрос противоречит сам себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Ответы на эти вопросы являются не столько научным, сколько натурфилософскими. Примером бесконечности, которая не безгранична, служит поверхность Земли: мы можем идти по ней бесконечно, но тем не менее. Она ограничена атмосферой сверху и земной корой снизу. Вселенная также может быть бесконечной и ограниченной. С другой стороны, известна точка зрения, в соответствии с которой в материальном мире не может быть ничего бесконечного, потому что он развивается в виде конечных систем с петлями обратной связи. Которыми эти системы создаются в процессе преобразования среды.
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 210; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!