Вселенная до большого взрыва. По следам тайны. (Рекомендуемый для ознакомления материал – до 42 минуты)
Основные понятия космологии.
Измерение и изучение Вселенной
Современные космологические модели Вселенной
Основные теории возникновения Вселенной
Хронология возникновения вселенной
(От большого взрыва до наших дней)
http://www.youtube.com/watch?v=hgtL2OlZkWs
История Вселенной и Земли за 10 минут
http://www.youtube.com/watch?v=L3XgkFJ0tn8
Вселенная до большого взрыва. По следам тайны. (Рекомендуемый для ознакомления материал – до 42 минуты)
http://www.youtube.com/watch?v=IHQkxbVsDGg
1. 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;
• звезд и звездных систем — галактик;
• иных космических тел (комет, астероидов);
• "космического пространства", в котором движутся небесные тела.
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 изучает упорядоченность мегамира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.
Это изучение зиждется на нескольких предпосылках:
• формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной;
• производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространяемыми на всю Вселенную;
• истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, т. е. человека (так называемый антропный принцип).
Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Одним из основных принципов современного естествознания является представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом. Только если можно провести бесконечное количество экспериментов и все они приводят к одному результату, на основе этих экспериментов делают заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. Лишь в этом случае результат считается вполне достоверным с научной точки зрения.
Ко Вселенной это методологическое правило остается неприменимым. Наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Это противоречие, которое требует считать все заключения о происхождении и развитии Вселенной не законами, а лишь моделями, т. е. возможными вариантами объяснения.
2. Наиболее универсальными параметрами, которые подходят для измерения и изучения Вселенной, являются:
• скорость света;
• виды и характер излучений.
Поскольку единственной постоянной величиной во Вселенной, согласно теории относительности, является скорость света, то для измерения Вселенной используют 2 основные единицы:
• световой год — расстояние, которое проходит свет в течение
земного года (при скорости света 300 тыс. км/с это расстояние
составит 9460 млрд км);
• парсек — равен 3,26 светового года.
Огромные расстояния обусловливают единственно возможный способ изучения Вселенной, состоящий в регистрации излучений, при этом следует учитывать, что регистрируемый в данный момент времени на Земле сигнал является характеристикой процесса, который шел на источнике излучений несколько лет или десятков и даже сотен лет назад.
В настоящее время ученые научились фиксировать следующие
типы излучений:
• свет — излучения в оптическом диапазоне, воспринимаемые глазом человека, длина волны около 10-7 м;
• инфракрасное излучение с длиной волны от 10-6 м до 1 см;
• микроволновое изучение (от 1 см до 1 м);
• радиоволны (от 1 м и более);
• ультрафиолетовое излучение:
• рентгеновское излучение;
• гамма-излучение;
• космические лучи.
Фиксация излучений осуществляется с помощью различных типов телескопов: оптических, радиотелескопов, инфракрасных телескопов, регистрирующих инфракрасное излучение. Благодаря установке особой аппаратуры на ракеты и спутники Земли оказалось возможным зафиксировать ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения космоса.
Космические лучи представляет собой элементарные частицы (электроны, протоны, ядра углерода, железа), которые движутся так быстро, что проникают через любые тела, включая Землю в целом. Зафиксировать их можно но следам, оставляемым в специальных ловушках (например, пластинках с ядерной эмульсией).
Изучение излучений привело к открытию таких экзотических космических объектов, как квазары, пульсары, мазары и т. д. Оказалось возможным изучать химический состав космических объектов, скорость и направления их перемещения.
3. Классическая ньютоновская космология принимала следующие постулаты:
• Вселенная — это весь существующий материальный мир, включая и тот, который находится за пределами планеты Земля и не известен человеку. Космология познает мир таким, как 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;
• Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяться могут конкретные космические системы, но не мир в целом.
В ньютоновской космологии возникали 2 парадокса, связанные с постулатом бесконечности Вселенной.
• гравитационный — 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;
• фотометрический — если существует бесконечное количество
небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба,
что не наблюдается.
Эти парадоксы разрешает современная космология, в границах которой было введено представление о расширяющейся и эволюционирующей Вселенной.
Современная релятивистская космология строит модели Вселенной, отталкиваясь от основного уравнения тяготения, введенного А. Эйнштейном в теории относительности, которые имеют не одно, а множество решений, чем и обусловлено наличие разных космологических моделей Вселенной,
Наиболее общепринятой в космологии является модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Все-ленной, построенная Эйнштейном в 1916г. на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения.
В основе этой модели лежат 2 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.
Голландский астроном В. де Ситтер в 1917 г. 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 и растворить всю систему. Тенденция к расширению, по В. де Ситтеру, становилась заметной лишь на очень больших расстояниях.
В 1922 г. русский математик и геофизик АЛ. Фридман отбросил постулат классической космологии о стационарности Вселенной и получил решение уравнений Эйнштейна, описывающее Вселенную с "расширяющимся" пространством.
Решение уравнений Л.Л. Фридмана допускает 3 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 Лобачевского и также неограниченно расширяется;
• 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. Ж. Леметр связал "расширение" пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятие начала 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.
Из принятия теории относительности вытекало в качестве следствия, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. На этот вывод не было обращено внимание вплоть до открытия американским астрономом Э. 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.
Обнаруженный ранее эффект Доплера гласил, что 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. Красное смещение оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об удалении их, т. е. о расширении Метагалактики - видимой части Вселенной.
Красное смещение подтверждает теоретический вывод о нестационарности Вселенной (с точки зрения современной науки Вселенная постоянно расширяется).
Составной частью модели расширяющейся Вселенной является представление о Большом взрыве, происшедшем где-то примерно 12—18 млрд. лет назад.
Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц. Горяч есть начального состояния подтверждена открытием в 1965 г. реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной.
Современная наука допускает, что все могло создаться из ничего. "Ничего" в научной терминологии называется вакуумом. Вакуум по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях "рождать" вещественные частицы.
Современная квантовая механика допускает, что вакуум может приходить в "возбужденное состояние", вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него — вещество.
Рождение Вселенной "из ничего" означает, с современной научной точки зрения, ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствие частиц происходит случайная флуктуация. Если число фотонов равно нулю, то напряженность поля не имеет определенного значения. Поле постоянно испытывает флуктуации, хотя среднее значение напряженности равно нулю.
Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.
Вселенная теоретически могла образоваться из "ничего", т. е. из "возбужденного вакуума". Такая гипотеза, конечно, не является решающим подтверждением существования Бога: ведь все это могло произойти в соответствии с законами физики естестве иным путем без вмешательства извне каких-либо идеальных сущностей. И в этом случае научные гипотезы не подтверждают и не опровергают религиозные догмы, которые лежат по ту сторону эмпирически подтверждаемого и опровергаемого естествознания.